Исследование влияния лицевых стенок и армирующих элементов из композитных материалов на работу искусственных оснований
На правах рукописи
Кидакоев Альберт Мухадинович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛИЦЕВЫХ СТЕНОК И АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА РАБОТУ
ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ
Специальность: 05.23.02- Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный технический университет»
| Научный руководитель | Доктор технических наук, профессор Скибин Геннадий Михайлович |
| Официальные оппоненты | доктор технических наук, доцент Савинов Алексей Валентинович, Саратовский государственный технический университет (г.Саратов) |
| доктор технических наук, профессор Пономорев Андрей Будимирович, Пермский государственный технический университет (г.Пермь) | |
| Ведущая организация | ГОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет (РГСУ) |
Защита состоится 04 июня 2011 года в 13 - 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.02.026.04 в ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 30 апреля 2010г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | Т.К.Акчурин |
Актуальность. Экологическая обстановка и качество среды жизни стали в современном обществе необъемлемой частью инженерной деятельности, вошла в сферу административно-хозяйственной и строительной практики. Фактическое состояние экологической инфраструктуры всей планеты, в т.ч. и нашей страны, находится в критическом состоянии, поэтому для сохранения здоровой среды жизни человека необходимо сократить площади антропогенно измененных техногенных грунтов, т.е. провести экореконструкцию нарушенного ландшафта и использовать его в дальнейших инженерных целях. Потому актуальной является проблема создания фундаментов, зданий и подземных сооружений на техногенных грунтах, в т.ч. на вторичных материальных ресурсах (полигонах отходов, накопителях и т.п.) с использованием новых композитных материалов.
Целью диссертационной работы является совершенствование конструкций подпорных сооружений для искусственных оснований, состоящих из лицевых стенок и армирующих элементов из композитных материалов.
В задачи исследования входят:
1. Анализ современного состояния использования вторичных ресурсов с применением композитных материалов в решении вопросов городских застроек.
2. Разработка технических решений комплекса элементов конструкций с применением композитных материалов по обеспечению надежности и безопасности работы оснований и сооружений на грунтах со слабой несущей способностью, их классификации.
3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров конструкций (лицевой стенки и армирующих элементов) из композитных материалов на надежность работы искусственных оснований.
4. Создание методов расчетного обоснования по определению напряженно-деформированного состояния грунтонаполняемой лицевой стенки и армолент.
5. Разработать рекомендации по повышению эффективности строительства инженерных сооружений с элементами конструкций из композитных материалов в практику строительного производства.
Объектом исследования являются методы инженерных расчетов конструкций и элементов из композитных материалов, напряженно-деформированное состояние разработанных технических решений на надёжность работы оснований с низкой несущей способностью.
Методологическая база исследования базируется на методах теории упругости и строительной механики. Экспериментальные исследования выполнены с применением теории моделирования на аттестованной тензометрической аппаратуре. Обработка данных экспериментальных исследований осуществлена методами математической статистики с применением ПЭВМ.
Достоверность результатов исследований подтверждается достаточным объемом данных экспериментальных исследований, выполненных в соответствии с теорией эксперимента, с соблюдением основных принципов математического и физического моделирования, сопоставлением результатов расчетов экспериментальных данных с теоретическими и натурными, а также в сравнении с другими авторами.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- выполнен анализ современного состояния применения техногенных грунтов с использованием элементов из композитных материалов в городских застройках;
- разработаны технические решения комплекса элементов конструкций с применением композитных материалов по обеспечению надежности и безопасности работы подпорных сооружений, оснований и фундаментов на грунтах со слабой несущей способностью и их классификация;
- на основании теоретических и экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости по определению оптимальных параметров лицевых стенок и армирующих элементов из композитных материалов;
- разработаны и внедрены рекомендации по применению инженерных сооружений с элементами композитных материалов в практику строительного производства.
Практическая значимость диссертации заключается в создании инженерных решений по обоснованию параметров лицевой стенки и армолент для грунтов со слабой несущей способностью. Предлагаемые методы инженерного расчета армолент, результаты экспериментальных исследований вошли составной частью в рекомендации по применению конструкций из композитных материалов с учетом положительного решения по заявке на патент РФ № 2352713 «Способ создания грунтоармированного сооружения и устройство для осуществления».
Личный вклад автора заключается в разработке технических решений подпорных сооружений, оснований и фундаментов с применением композитных материалов, теоретическом и экспериментальном их обосновании, обобщении материалов и разработке рекомендаций для проектирования строительства и эксплуатации подпорных конструкций инженерной защиты.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических и научно-практических конференциях ЮрГТУ (НПИ), Санкт-Петербургского ГАСУ, Волгоградского ГАСУ, РИПКа.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в восьми работах, в том числе две их них в изданиях, рекомендованных ВАК.
Внедрение результатов. Результаты исследований переданы для апробации на практике в проектный институт Южный специализированный научный Центр по проектированию объектов мелиорации и водного хозяйства (Южводпроект), ФГУ «Ростовмелиоводхоз» г. Ростов-на-Дону, ООО «СПУ» г. Новочеркасск.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 138 наименований. Полный объем диссертации 135 с., включая 35 рисунков, 14 таблиц.
На защиту выносится:
1. Классификация и новые технические решения комплекса элементов оснований и подземных сооружений из композитных материалов по обеспечению надежности и безопасности работы их техногенных грунтах со слабой несущей способностью.
2. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния грунтонаполняемой лицевой стенки под действием различных нагрузок и построены на их основе эмпирические зависимости.
3. Инженерный метод расчета, формализующая его компьютерная программа и соответствующая база данных, позволяющая вычислить оптимальные параметры армолент во взаимодействии с лицевой стенкой.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы. Сформулированы цели работы и определены основные этапы её достижения, указаны её новизна, степень апробации, практическая значимость и выносимые на защиту положения.
Первая глава диссертационной работы посвящена анализу использования техногенных грунтов, т.е. вторичных материальных ресурсов для строительства объектов городской застройки. В Российской Федерации накоплено огромное количество отходов – около 80 млрд.т, увеличивающееся ежегодно, в числе которых около 10% от всей массы составляют твердые бытовые отходы (ТБО), располагающиеся в черте административных центров.
Для обеспечения экологической безопасности полигонов ТБО на проектной отметке, в основаниях и бортах карты размещения отходов, устраивается защитный экран основания полигонов. Минеральный изоляционный слой устраивается из природной глины, укладываемых с уплотнением послойно с коэффициентом фильтрации Kf5*10-7м/cек при градиенте напора I=30(для полигонов первого класса в два слоя толщиной t=50см, а для второго класса - в три слоя, толщиной t=75см). В России при строительстве полигонов ТБО традиционно делают так называемый «глиняный замок», который обладает хорошими гидроизоляционными свойствами, но не устойчив к подвижкам почвы, что способствует образованию провалов и промоин, при этом образуются различные сдвиги, трещины, через которые фильтрат уходит в почву и грунтовые воды, ухудшая экологическую ситуацию, что требует определенных методов при защите устройств подпорных стенок и оснований сооружений городских застроек.
Методами расчета устойчивости и напряженно-деформированного состояния грунтового массива занимались многие отечественные и зарубежные ученые: К. Терцаги, А. М. Богомолов, В.К. Цветков, Н.А. Цитович, З.Г. Тер-Маркиросян, Ю.Н. Мурзенко, В.П. Дыба, Г.М. Скибин и др. Вопросами предотвращения загрязнения природной среды накопителями и полигонами занимались многие ученые под руководством Недриги В.П., в т.ч. Павилонский В.М., Цейтлин А.С., Большакова Ю.С, Велецкая М.М. и др. Армирование грунтов геосинтетическими материалами все шире внедряется в практику строительства. Большой вклад в развитие данного направления научных исследований внесли: Ю.А. Аливер, К.Батероу, В.Д. Казарновский, А.И. Ким, Е.И. Кондаков, В.А. Кретов, Ю.М. Львович, А.Е. Мерзликин, Ю.Р. Перков, Л.М. Тимофеева, А.П. Фомин, Е.В. Щербина, В.М, Юмашев, R.J. Bathurst, R. Floss, R.M. Koerner, D.F.Senf, S.K. Shukla, S.L. Webster и др. Теоретические основы расчета таких конструкций базируются на методах расчета плит на упругом основании и изгибаемых слоистых систем, которыми занимались С.А. Амбарцумян, Н.А. Алфутов, В.В, Болотин, В.З. Власов, М.И. Горбунов-Посадов, Э.И. Григолюк, П.А. Зиновьев, В.А. Киселев, З. Кончаковский, Б.Г. Коренев, А.Н. Крылов, Н.Н. Леонтьев, С.Г. Лехницкий, Ю.В. Немировский, Ю.Н. Новичков, В.В. Пикуль, В.Г. Пискунов, Б.Г. Попов, А.О. Рассказов, С.П. Тимошенко и др., методом конечных элементов - П.М. Варвак, Р. Галлагер, О. Зенкевич, И.Ф. Образцов, В.А. Постнов, Л.А. Розин, Н.Н. Шапошников и др. Большой вклад в развитие надежности технических систем внесли ученые: С.А. Корнели, Ц.Е. Мирцхулава, Н.Ф. Хоцеалов, Д.В. Стефанишин, В.А. Острейковский, А.Н. Добросмыслов и др.
В последние годы широкое распространение получили конструкции и строительные элементы в виде мягких и гибких, замкнутых и незамкнутых оболочек из композитных материалов, которые в первоначальном состоянии не имеют собственную форму, а приобретают её за счет предварительного натяжения, которое может создаваться грунтом, воздухом, водой, их сочетаниемОсновоположниками создания рациональных форм строительных конструкций рассматривались, в т.ч. из композитных материалов, начиная с 40-х годов XX века, Г. Отто и Р. Тростелем, В.А. Киселевым, К.М. Хуберяном и др. учеными. На практике в качестве основания сооружений применяют грунтоармированные, грунтонаполняемые конструкции. Теоретическими и экспериментальными исследованиями, технологией возведения занимались многие отечественные и зарубежные учеными: Henri Vidal, Могилков Христо, К.Л.Ли, Broms Bengt, Nash U., Каганов Г.М., Евдокимова К.И., Тимофеева Л.М., Полежаев Е.В., Кислов В.В., Трушин С.Н., Ещенко О.Ю., Волосухин В.А., Дыба В.П., Кашарина Т.П., Шералиев Н.И., Шевченко К.И., Щербина Е.В., Миронов В.В. и др.
В результате проведенного анализа научно-технической литературы уточнены цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе диссертационной работы рассмотрены вопросы сооружений полигонов ТБО (т.е. техногенных грунтов ), составлена схема их классификации. Обычно под сооружения полигонов захоронения отходов, в т.ч. коммунальных и промышленных, отчуждаются «бросовые земли», характеризующиеся наличием грунтов с низкими прочностными и деформационными характеристиками, что оказывает влияние при возведении на них ограждающих конструкций (дамб обвалования) и существенно влияет на осадки и неравномерные деформации всей упорной призмы. Конструктивной особенностью упорной призмы является дамбы обвалования и ярусов наращивания, где элементы их выполнены из материалов, обладающих различными прочностными и деформационными свойствами, имеющими различную степень влажности, что играет большую роль в выборе технического решения. Задачи прогнозирования образования трещин, местоположения и их основные параметры решаются в работах Тейтельбаума А.И., Климова В.И., Захарова М.Н., Дидовича М.Я. и др. На основании ретроспективного анализа и с помощью эвристических приемов, усовершенствованы и разработаны новые технические решения подпорных сооружений, оснований и фундаментов и их классификация. Автором разработаны технические решения подпорных сооружений, оснований и фундаментов из композитных материалов для использования территорий вторичных материальных ресурсов для объектов городской застройки, выбрано наиболее приемлемое техническое решение на которое получен патент РФ № 235271 3«Способ создания грунтоармированного подпорного сооружения и устройство для его осуществления».
В этой же главе рассмотрены основные методологические положения по постановке экспериментальных исследований грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций. Также рассматривается пространство работы основания сооружения с разгружающими гибкими конструкциями, причем размер пространства снижается. Его дискретизация ведется путем разбиения на элементы, работу которых можно описать приближенными формулами, а точность расчета больше при разбиении конструкций на максимально возможное количество их элементов, т.е. грунтоармированные конструкции разбиваются на три основные конструктивные элементы: облицовка фронтальной поверхности (лицевая стенка); анкерные элементы (гибкие армоленты); их соединения из того же материала (рис.1).
Рисунок 1 – Расчетная схема грунтоармированного элемента
1 – единое полотнище подпорного сооружения из композитного материала (лицевая стенка); 2 – армирующие элементы; 3 – грунтовый массив
В этой главе рассмотрены также вопросы надежности работы подпорного сооружения. При использовании расчетных методов контроля показателей надежности устанавливают соответствие показателя надежности конструкции требуемым нормам: Rр R, где Rр - расчетное значение показателя надежности; R – требуемое значение показателя надежности.
Надежность работы каждого элемента в отдельности обеспечивает общую надежность сооружения в целом и практически второстепенных элементов здесь нет, так как выход из строя хотя бы одного из них ведет к потери устойчивости всего сооружения в целом в соответствии с рисунком 2.
Важную роль в становлении вероятностного направления в теории надежности сооружений, конструкций и оснований сыграли работы Р. Стюарта, К. Уитта, М. Харра, К. Хойега, С.А. Корнелла, А.Р. Ржаницына, Н.Ф. Хоциалова, Ц.Е. Мирцхулавы, М.И. Гогобидзе, Л.Н. Рассказова, Д.В. Стефанишина, А.М. Добросмыслова и др.
На основании многолетних наблюдений за работой конструкций из композитных материалов и анализа литературных источников, автором построено дерево отказов.
Общую структурную схему грунтоармированных сооружений можно представить в следующем виде.
Рисунок 2 - Структурная схема подпорного грунтоармированного сооружения
1. Причины возникновения: внешние отказы, вызванные недостатком конструкции, например, чрезвычайные ситуации (не учтены данные факторы); внутренние отказы, вызванные недостаточно обоснованным конструктивным решением.
2. Появление их во времени: последовательные и медленнотекущие, например, медленно открепляющаяся армолента при повышении нагрузки во времени; внезапные, например, разрушение узла крепления, анкерного блока.
3. От срока эксплуатации: начальные повреждения (например, появление трещин в обкладке композитного материала); дефекты кратковременной или длительной работы конструкции, например, истирание материала оболочки.
4. Изменение параметров и характеристик: незначительные (например, релаксация подпорного полотнища, армолент); значительные, приводящие к прекращению выполнения запроектированных функций, например, не соблюдение технологии возведения и др.
Одним из важных факторов влияющих на надежность работы сооружений из композитных материалов является их долговечность. На современном этапе развития человечество разработало полимерные материалы, которые не уступают по своим свойствам и долговечности традиционным, что позволяют создавать рациональные формы конструкций, обеспечивая их работоспособность. При этом можно использовать основное уравнение старения или Аррениуса:
, (1)
где S - мгновенная прочность; S0- начальная прочность; Q - энергия активизации; Е – энергия реакции; К'' – включает в себя константы К и К' и является функцией концентрации веществ, а также их природы; К' – константа, характеризующая размер дефекта; К – константа, зависящая от материала (К = f (x, y), где x и y коэффициенты релаксации композитного материала во времени. Максимальная деформация волокна равна деформации матрицы и поэтому максимальное растягивающее напряжение в волокне определяется формулой: 
, где 
- модуль Юнга волокна. По мере увеличения деформации возрастает напряжение в волокне, максимальное значение которого равно пределу его прочности. Это напряжение достигается при критической длине волокна lc, которое определяется как минимальная длина, при которой возможно его разрушение и напряжение достигает величины 
: растягивающая сила в волокне равна 
, сдвиговые силы на границе раздела 
.Приравнивая эти два уравнения, получаем: 
. Вероятность безотказной работы всего сооружения в целом за весь эксплуатационный период подробно рассмотрен в диссертационной работе. Натурные исследования показали, что в процессе эксплуатации конструкций из композитных материалов (грунтонаполняемых и грунтоармированных и др.) происходит изменение их надежности, вызванное различными повреждениями, которые разделяются на две группы в зависимости от силовых воздействий и внешней среды.
В третьей главе диссертационной работы рассмотрены вопросы теоретических методов расчета, обеспечивающих надежность искусственных оснований и фундаментов по несущей способности. При расчете прочности и устойчивости сооружений из армированного грунта рассматриваются два вида предельного состояния: общая устойчивость всего сооружения в целом и его внутренняя прочность. При расчете сооружений из композитных материалов достаточно использовать конструктивную нелинейность и нелинейную связь между деформациями и перемещениями, что доказано рядом ученых: С.А.Алексеевым, В.И.Усюкиным, А.С.Григорьевым, В.В.Ермоловым, К.М. Хуберяном, В.А.Кисилевым, Б.И. Друзь, Б.И.Сергеевым, В.Э. Магулой, С.И. Бельзецким, Б.С. Шестовым, Б.С. Ковальским, С.М. Певзнером, Х. Ягофаровым, Б.И. Сергеевым, В.А. Волосухиным, Т.П. Кашариной, Н.И. Шералиевым, В.В. Мироновым и др.
В работе рассматривается расчет мягких оболочек, взаимодействующих с грунтом, который вытекает из теории гибкого кольца, находящегося под радиальной нагрузкой (рис.3).
Рисунок 3.- Элемент мягкой грунтонаполняемой оболочки
При проведении теоретических исследований рассматривалось два типа задач: прямая (при действии системы сил определялась форма оболочки) и обратная (по известной форме получали действующую систему сил). В случае графоаналитического построения определяется радиус кривизны оболочки: 
- кривизна оболочки.
Для расчета интенсивности вертикального и горизонтального давления на цилиндрическую оболочку использованы следующие зависимости: qy=rbhc; qx=mrbhc; m=tg2(450-
), где qy, qx – интенсивность вертикального и горизонтального давления засыпки, соответственно; r – объемный вес засыпки; b – размер выделенного для расчета звена конструкции, измеряемый по образующей (обычно принимается равный единице); hc – высота столба засыпки в рассматриваемой точке поверхности конструкции; - угол естественного откоса засыпки (угол внутреннего трения; для идеально сыпучей среды эти углы совпадают). Под грунтонаполняемой оболочкой следует понимать мягкую оболочку, заполнителем которой является грунт или его сочетание (вода и др).
Определить основные параметры можно согласно нижеследующих зависимостей. По теории гибкого кольца нагрузки действующие на оболочку задаются в следующем виде:
.
Проинтегрировав и преобразовав данные зависимости, получим основные параметры оболочки:
(2)
При проведении теоретических исследований нами использовались зависимости, описанные Магулой В.Э. для гравитационно-упругих кривых, которые переходят в упругие кривые (эластики), известные со времен Л.Эйлера. Эти кривые в системе координат 0 записываются в виде функций от двух параметров и К2:
,
где f – расстояние наиболее удаленной точки упругой линии.
Основные теоретические положения подробно рассмотрены в диссертационной работе.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями по определению параметров армолент занимались многие ученые К.Ли, Ф.Шлоссер, Г. Видаль, Г.М. Коганов, Е.В.Щербакова, Е.М Евдокимова, Л.М. Тимофеева, Т.П. Кашарина и др.
Общая устойчивость армированного массива определяется по методу Кулона, предполагается, что грунт вокруг армирующих лент находится в предельном состоянии в каждой точке и рассматривается плоская задача. На основании исследований, проведенных учеными (Кулон, Ренкин, Журан, Шлоссер), выявлено, что касательные напряжения, возникающие на верхней поверхности арматуры 1, меньше чем на нижней, тогда 
,т.е. каждый элемент арматуры подвергается сдвиговой нагрузке со значением сдвигающего напряжения: 
.
На основании существующих методов расчета армогрунтового массива составлена блок-схема по определению параметров армолент и их местоположения, а также предложен инженерный метод расчета на ПЭВМ (рис. 4).
В четвертой главе диссертационной работы освящены результаты экспериментальных исследований оснований (подпорных стенок) и фундаментов с применением композитных материалов. В результате проведенных испытаний выявлены зоны основных напряжений внутри массива и воздействие их на оболочку, а перемещение её фиксировалось с помощью линейных координатников.
Так как наполнение полигонов идет постепенно, то экспериментальные исследования лицевой стенки проводились при различной высоте наполнения, воздействий заполнителей. Расчетное усилие в оболочке определяется с учетом однородности, длительной прочности. При проведении измерений деформаций в оболочках, заполненных грунтом, использовался измерительный комплекс, в котором в качестве датчика для измерений деформаций применялся тензоррезисторный преобразователь перемещения с консольным чувствительным элементом, позволяющим измерить деформации до 3мм.
Рисунок 4- Блок-схема расчета грунтоармированного элемента сооружения
Исследования работы лицевой стенки из капронированных (ТК-80) и кордовых материалов (ТК-200) проводились в малом и большом грунтовых лотках. Методика включает в себя порядок выполнения эксперимента и основные указания по установке и тарировке тензометров деформаций. При проведении экспериментальных исследований грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций в качестве заполнителя использовался сухой песок =17,8 Н/м3. Материал для модели ортотропный с показателями анизатропии С=
, где Е0, Еу – модули упругости основы и утка. Между характеристиками грунта и гибкой арматуры должны соблюдаться следующие соотношения подобия: геометрический масштаб аl для вертикального и горизонтального расстояния между одиночной арматурой. Были проведены несколько серий экспериментальных исследований на моделях в грунтовых лотках.
Малый грунтовый лоток имел следующие параметры: длина – 1,0 м; ширина – 0,6 м; высота – 0,6 м. Боковые стенки были выполнены из оргстекла t = 10 мм. Материал лицевой стенки и арматуры выполнялся из прорезиновой ткани (ТК-80). Высота лицевой стенки составляла hст = 40 см, а высота каждого яруса hяр = 10 см. Шаг армирования составлял S = 15 см, ширина армирующих лент b = 5 см, а длина l = 40 см, грунтовый массив составлял объем 0,80,40,6 м3. Для исключения бокового «просачивания» песка, лицевая облицовка по бокам уплотнялась специальными уплотнителями. Для лучшего наблюдения за происходящими явлениями песок под армолентами высотой h = 5 см был окрашен в синий цвет. На грунтовый массив нагружалась равномерная нагрузка P = 1 Н, 2Н и 3Н.
Для проведения измерений деформаций в оболочках, заполненных грунтом, в качестве измерительного прибора использовались приборы: тензодатчики, цифровой тензометрический мост ЦТМ-5, укомплектованный ПЭВМ. При проведения измерения формы оболочки использовался специальный координатик, позволяющий измерять формуеё в двух направлениях.
Для более полного представления распределения нагрузок, возникающих в облицовке (лицевой стенки) подпорных сооружений из композитных материалов, выявления напряжений и деформаций, которые необходимы для дальнейшего уточнения расположения армолент, проводились исследования грунтонаполняемых оболочек в большом и малом грунтовых лотках.
Экспериментальные исследования работы лицевой стенки и армирующих элементов проводились в малом (
) и большом (
) грунтовых лотках (рис. 5).
Рисунок 5 – Большой грунтовый лоток с установленной моделью
Выполненные исследования показали, что пока не достигнута предельная нагрузка, перемещение и деформации внутри оболочки незначительны. Результаты лабораторных исследований на моделях, позволили в дальнейшем использовать их при проведении анализа экспериментальных и теоретических исследований. Рассматривая профили деформированных поверхностей следует отметить, что при полном загружении оболочки максимально деформированная поверхность находится на 1/3 высоты ее.
Деформированная поверхность грунтонаполняемой оболочки при различных нагружениях отличается. При H = 90 см на 40-50% деформации превосходят при H = 110 см. Значит при большем уклоне угла крепления нагрузки распределяются более равномерно (рис. 6).
а  | б  |
Рисунок 6 – Деформированная поверхность при различной высоте нагружениях
а – при угле крепления нагрузки 30°; б - при угле крепления нагрузки 60°
Выполненные исследования показали, что пока не достигнута предельная нагрузка, перемещение и деформации внутри оболочки незначительны. Результаты лабораторных исследований на моделях, позволили в дальнейшем использовать их при проведении анализа экспериментальных и теоретических исследований.
Для обоснования метода расчета грунтонаполняемых оболочек автором использовались данные экспериментальных исследований. В результате их обработки с помощью пакета программ Mathcad 7 получены эмпирические и графические зависимости деформации грунтонаполняемой оболочки от различных заполнителей, внешних и внутренних воздействий (рис. 7).
Рисунок 7 – Зависимость деформации оболочки от отношения высоты засыпки к длине оболочки при сухой засыпке
Обобщенная эмпирическая зависимость записывается следующим образом:
, (4)
где А =0,3…8,7; B=0,5..10,5; С=-0,4…5,3; К = -0,25…0,4 - эмпирические параметры; x=Н/L, H – высота засыпки, L – длина оболочки, y=D/L, D- величина деформации оболочки согласно таблицы 5.
Полученные зависимости могут быть использованы при назначении материала оболочки и возможности разгрузки её за счет армолент.
Таблица 5 - Зависимости для определения напряженно-деформированного состояния грунтонаполняемой оболочки
| Для сухого грунта | Для влажного грунта |
| hнагр=1/3Н | |
 при  |  при  |
| hнагр=2/3Н | |
 при  |  при  |
| hнагр=3/4Н | |
 при  |  при |
| hнагр=Н | |
 при | |
Выполнен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований грунтонаполняемых оболочек, позволяющей судить о достоверности проведенных исследований (рис. 8).
Рисунок 8 – Сравнение результаты экспериментальных и теоретических исследований деформации оболочки
Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований представлены в таблице 6. Сравнение проводилось с данными Б.И. Сергеева, В.А. Волосухина.
Таблица 6.- Результаты сравнительного анализа
| Данные сравнений | При h (см), Нзас= 60см | Достоверность | |||
| 10 | 30 | 60 | 90 | ||
| Экспериментальные | 92 | 102 | 73 | 30 | 3,92 |
| Теоретические | 102 | 105 | 76 | 35 | |
| При h (см), Нзас= 90см | |||||
| Экспериментальные | 115 | 112 | 100 | 58 | 5,65 |
| Теоретические | 120 | 120 | 110 | 70 | |
В пятой главе диссертационной работы освящены вопросы, связанные с возведением искусственных оснований на техногенных грунтах (территориях вторичных материальных ресурсов) с использованием композитных материалов.
Проектирование подпорных сооружений из композитных материалов включает следующие этапы: задание на проектирование; выбор места строительства; предварительный выбор технического решения конструкции; сравнение с банком данных существующих типовых проектных решений технико-экономических и экологических показателей предлагаемой конструкции; принятие решения. Грунтоармированное сооружение с лицевой стенкой и армолентами из композитных материалов проектируется одновременно с грунтовой засыпкой таким образом, чтобы была обеспечена совместная их работа с окружающим грунтом насыпи и эксплуатационная надежность сооружения в целом в течении всего срока эксплуатации. К достоинствам сооружения относится: возможность сборки на строительной площадке при наименьших затратах труда; удобство перевозки элементов сооружения различными видами транспорта, в том числе воздушным.
При проектировании грунтоармированных конструкций необходимо: определить геометрические параметры лицевой стенки и шаг армирования; производить расчет конструкции по предельному статическому равновесию с учетом неодинаковых вертикального и бокового давлений грунта по контуру грунтоармированной конструкции при возведении насыпи и степени уплотнения грунта в её теле; проверять общую устойчивость формы поперечного сечения конструкции (т.е. лицевой стенки); производить расчет стыковых соединений; предусматривать ограничение гибкости элементов лицевой стенки и армолент с учетом требований транспортирования и монтажа конструкции; осуществлять расчеты параметров армолент; проводить расчеты осадки конструкции под насыпью в ходе строительства и при последующей эксплуатации и принятия решения о конструкции основания.
Расчет на прочность и устойчивость осуществляется согласно требованиям ограничения предельных деформаций лицевой стенки (предельные относительные изменения горизонтального или вертикального размеров не должны превышать 5% при высоте до 3-х метров и 3% - при более 3-х метров).
Последовательность работ по возведению подпорно грунтоарированного сооружения с лицевой стенки из композитных материалов приведена в диссертационной работе.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
В итоге выполнения комплекса научно-технических работ, обобщенных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ состояния использования вторичных материальных ресурсов для строительства объектов городской застройки и выявлено, что весьма важным фактором, влияющим на надежность и безопасность подземных и наземных сооружений оснований и фундаментов, является использование современных композитных материалов, долговечность и несущая способность которых значительно возросла.
2. Определены диапазоны применения предложенного технического решения грунтоармированного сооружения для городских застроек на вторичных материальных ресурсах. Определена перспективность использования их в ресурсосберегающих и природоохранных мероприятиях, в т.ч. для и V класса защитных дамб полигонов ТБО при нормативном коэффициенте Ks=1,15 и высоте сооружений от 1,5 до 4м.
3. Предложены грунтонаполняемые и грунтоармированные конструкции для подземных и надземных подпорных сооружений, оснований и фундаментов из композитных материалов по укреплению грунтов со слабой несущей способностью, также составлена классификация разработанных технических решений и специальные блоки грунтоармированных конструкций и армолент. Получен патент РФ № 2352713 «Способ создания грунтоармированного сооружения и устройство для осуществления».
4. Выявлены основные закономерности и специфические особенности условий работы грунтоармированных и грунтонаполняемых элементов сооружения, разработаны структурная схема функционирования их и дерево отказов, предложены мероприятия по повышению эффективности и надежности данных сооружений с использованием методов теории надежности и логико-вероятностного подхода.
5. Разработана блок-схема и предложен инженерный метод расчета напряженно-деформированного состояния грунтонаполняемых и грунтоармированных элементов.
6. На основании проведенных экспериментальных исследований получены эмпирические зависимости поведения грунтонаполянемых конструкций под действием различных стадий нагружения и отмечено, что при постепенном нагружении они меняю свою форму значительно меньше, чем при ускоренном.
7. На основании полученных эмпирических зависимостей определены оптимальные параметры и диапазоны применимости конструкций, а также разработаны рекомендации по их применению.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
- Кашарина, Т.П. Применение грунтонаполяемых лицевых стенок при использовании вторичных материальных ресурсов/ Т.П. Кашарина, Г.М. Скибин, А.М. Кидакоев// Вестник Волгогр.гос.архит.-строит.ун-та. Сер.: строительство и архитектура.- Вып.10 (29), 2008- С.216-220.
- Кашарина, Т.П. Исследование влияния армирующих элементов из композитных материалов на работу искусственных оснований/Т.П. Кашарин, Скибин Г.М., Кидакоев А.М.// Вестник гражданских инженеров С-Пб гос. архит.-строит. ун-т.-Сер.: Архитектура, строительство, транспорт.- 2008№ 3(16).-С.48-51.
- Патент № 2352713 Российская Федерция, МПК Е 02 В 3/06(2006.01) Способ создания грунтоармированного сооружения и устройство для осуществления/ Т.П. Кашарина, Г.М. Скибин, Д.В. Кашарин., А.М. Кидакоев, К.В. Григорьев-Рудаков: заявитель и патентообладатель Новочеркасск ЮРГТУ.- №2007129451/03(032065); заявление 31.07.2007, опубликовано 20.04.2009.- Бюллетень № 11(Пч.).-7с.
- Кидакоев, А.М. Использование информационных технологий при возведении искусственных оснований с использованием композитных материалов/А.М.Кидакоев, К.В. Григорьев-Рудков// Информационные технологии в образовании и консультационной деятельности в сельскохозяйственном производстве: Материалы Всерос. Науч.-произв.конф.. Новочеркасск, апрель 2008.- Новочеркасск, апрель 2008.- С.49-53.
- Кашарина, Т.П. Результаты исследований грунтонаполняемых лицевых стенок при использовании вторичных материальных ресурсов/ Т.П. Кашарина, Г.М. Скибин, А.М. Кидакоев//Геотехника:научные и прикладные аспекты строительства наземных и подземных сооружений на сложных грунтах: межвуз.сб.науч.тр.СПб.:2008.-С.81-83.
- Кидакоев А.М Надежность грунтоармированных оснований и фундаментов из композитных материалов// Изв. Вузов Северо-Кавк.Регион.Техн.науки.- Спец.Вып.-2008.-С.110-113.
- Кашарина, Т.П Возведение искусственных оснований с использоваием композитных материалов/ Т.П. Кашарина, А.М. Кидакоев, К.В. Григорьев-Рудаков /Изв.Вузов.Сев-Кав.регионТехн.науки.- Спец.Вып.-2008.-С.81-84.
- Руководство по применению грунтонаполняемых и грунтоармированных элементов при использовании вторичных материальных ресурсов / Т.П. Кашарина [и др.]- Введ.Ростов-н/Д: [ЮРГТУ], 2008.-35с.
Кидакоев Альберт Мухадинович
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛИЦЕВЫХ СТЕНОК И АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА РАБОТУ ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
на правах рукописи
Подписано в печать 23.04.2010
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография.
Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,11. Тираж 100 экз. Заказ 48-123.
Отпечатано в ИД «Политехник»
346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132
