Чтобы дороги не проседали: в России создали новую испытательную установку

Чтобы подобрать геосинтетику для строительства, важно знать не только ее собственную прочность, но и то, как она взаимодействует с грунтом. Ученые ПНИПУ создали установку, позволяющую проводить такие испытания по требованиям российского ГОСТ. Об этом редакции Наука Mail сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

Исследователи ПНИПУ создали специальную раму с коробом для испытаний. Установку уже проверили на тканом материале в песчаном грунте

Источник: Пресс-служба ПНИПУ

Геосинтетические материалы используют при строительстве на слабых грунтах: их укладывают в основание, чтобы армировать его, распределять нагрузку и препятствовать деформациям. Это особенно важно при строительстве дорог, насыпей, зданий и других сооружений на сложных территориях. Однако для проектирования недостаточно знать характеристики самого полимерного материала. Необходимо определить, как он взаимодействует с конкретным грунтом и насколько хорошо сопротивляется вытягиванию.

Как рассказал редакции Наука Mail ассистент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ Максим Казаков, фактические характеристики взаимодействия геосинтетики с грунтом могут значительно отличаться от значений, которые используются при расчетах. В проведенных учеными испытаниях разница достигала двух раз.

В действующих строительных нормах проектировщикам предлагается использовать усредненные табличные коэффициенты трения на уровне 0,7–0,9. Однако наши прямые лабораторные испытания показали, что для тканого геотекстиля этот коэффициент может составлять всего 0,4.

Максим Казаков

Ассистент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ

По его словам, недооценка такой разницы способна повлиять уже на безопасность сооружения: рассчитанная по усредненным значениям длина заделки армирующего материала в грунте может оказаться недостаточной.

Как испытывают геосинтетику в грунте

Российский стандарт предусматривает испытание, при котором образец геосинтетического материала горизонтально помещают в жесткий короб с грунтом. На грунт воздействуют вертикальной нагрузкой, после чего материал вытягивают и измеряют возникающее сопротивление.

Для проектирования важно знать, как материал взаимодействует с конкретным грунтом

Источник: ru.wikipedia.or

Для таких испытаний необходима специальная силовая конструкция. Исследователи ПНИПУ разработали раму из двух перпендикулярных замкнутых металлических контуров. На ней размещены устройства для вертикального нагружения и горизонтального вытягивания.

Между рамами находится жесткий короб с регулируемым зазором. В него помещают грунт и геосинтетический материал, свободный край которого выводят наружу и закрепляют в зажиме. Такая схема позволяет воспроизводить нагрузки и измерять характеристики взаимодействия материала с грунтом.

Как отмечает Казаков, в России испытания геосинтетики на вытягивание из грунта не являются обязательными. Национальный стандарт ГОСТ Р 70037, регламентирующий соответствующую методику, действует с 2022 года.

«В составе нашей опытной установки первая запатентованная российская силовая рама, которая полностью соответствует требованиям ГОСТа на проведение испытаний по определению сопротивления вытягиванию геосинтетических материалов из грунта», — отметил ученый.

Геосинтетику проверили в песчаном грунте

Работу установки исследователи проверили на тканом геосинтетическом материале. Его помещали в предварительно уплотненный и увлажненный песчаный грунт, после чего создавали вертикальное давление и вытягивали материал, измеряя необходимое усилие.

«Именно этот показатель отражает, насколько прочно геосинтетика удерживается и какую нагрузку сможет выдержать укрепленное ею основание в реальных условиях», — рассказал старший преподаватель кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ Максим Казаков.

В испытании сопротивление вытягиванию увеличивалось вместе с вертикальной нагрузкой. По словам разработчиков, полученные результаты подтвердили работоспособность конструкции.

При этом установка позволяет исследовать не только заранее подготовленные модельные системы. В нее можно поместить грунт непосредственно с будущей строительной площадки и последовательно проверить его взаимодействие с несколькими геосинтетическими материалами.

«Результаты испытаний различных геосинтетических материалов будут отражать, какой именно материал армирования имеет лучшие характеристики взаимодействия с грунтом, используемым при строительстве. Это позволит выбрать наиболее подходящий геосинтетический материал, который необязательно окажется самым недорогим, и построить надежную армогрунтовую конструкцию», — объяснил Казаков.

Зачем нужна новая установка

При проектировании армированных оснований инженерам необходимы характеристики взаимодействия конкретного материала с конкретным грунтом. Если экспериментальных данных нет, расчеты могут опираться на табличные значения и коэффициенты запаса. Новая установка позволяет получать такие характеристики непосредственно в ходе испытаний и сравнивать их с расчетными значениями.

«Теперь инженеры могут получать данные испытаний для проектирования сооружений и сравнивать их с табличными значениями характеристик трения, что позволит принимать оптимальное проектное решение», — объяснил заведующий кафедрой «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ Вадим Офрихтер.

По словам Казакова, пока исследователи не оценивали, сколько материала или средств можно сэкономить на типовом объекте благодаря таким испытаниям. Основная задача заключается прежде всего в повышении надежности армогрунтовых сооружений.

«Экономические показатели будут зависеть от значений этих характеристик. Все индивидуально: в каком-то случае возможен экономический эффект, а в каком-то он может отсутствовать. Экономический эффект может выражаться необязательно в экономии при строительстве, но, например, в увеличении межремонтных периодов, что не менее актуально», — отметил эксперт.

Испытания могут показать и обратную ситуацию: вместо уменьшения количества материала проектировщику потребуется скорректировать конструкцию, если реальное сцепление выбранной геосинтетики с грунтом окажется хуже принятого при расчете.

Когда установку смогут применять при проектировании

Несмотря на успешные первые испытания, разработка пока не готова к непосредственному использованию результатов в обычной практике проектирования. По словам Казакова, сама установка создана в рамках инициативного диссертационного исследования и еще не прошла необходимую аттестацию.

«Предложенная методика проектирования должна быть включена в правила проектирования или иные документы национальной системы стандартизации, для чего она прежде всего должна пройти экспертную оценку в соответствии с законодательством. А во-вторых, установка сконструирована в рамках инициативного диссертационного исследования и пока не аттестована», — рассказал ученый.

После аттестации подобное оборудование, по мнению разработчиков, должно стать доступно испытательным лабораториям. Только после прохождения необходимых процедур можно будет говорить о применении получаемых с его помощью данных в практике проектирования.

Разработчики рассчитывают, что установка позволит точнее подбирать геосинтетические материалы с учетом свойств конкретного грунта и условий будущего объекта.

Ранее ученые раскрыли характеристики новой керамики для авиакосмической отрасли.