Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
13
ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФЕДОРУК АНДРІЙ ВІКТОРОВИЧ
УДК 624.137.2:001.8
ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ АРМУВАННЯ УКОСІВ ГЕОСИНТЕТИЧНИМИ МАТЕРІАЛАМИ
.23.08 Технологія та організація промислового та цивільного будівництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Вінниця 2007
Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.
Менейлюк Олександр Іванович,
Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри технології та механізації будівництва.
кандидат технічних наук, доцент Котляр Микола Іванович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, доцент кафедри технології будівельного виробництва
Провідна установа –Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, кафедра технології будівельного виробництва, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться “27” квітня 2007 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.04 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210 ГУК.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
Автореферат розісланий “23” березня 2007 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Швець В.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Ґрунтові споруди є найменш затратними в порівнянні зі спорудами з інших матеріалів. Відносно невелика трудомісткість та високий рівень механізації при їх влаштуванні пояснюють величезні масштаби їх застосування як в нашій країні, так і за її межами.
Першорядне значення при влаштуванні ґрунтових споруд має їх стійкість і особливо стійкість їхніх укосів. Відома низка технологічних прийомів, напра-влених на покращення цього показника при влаштуванні ґрунтових споруд. Це, як правило, армування ґрунтових масивів різними матеріалами. Однак, традиційні способи та матеріали, які застосовуються, не завжди дають бажаний ефект, мають значну трудомісткість та вартість. Тому їх використання часто скрутне, а часом і неможливе. Аналіз відомих досліджень показав, що при влаштуванні укосів з кутом, який перевищує природний, пошарове армування геосинтетичними матеріалами має високу ефективність. Про широке розпов-сюдження використання таких конструкцій свідчить той факт, що об’єми виробництва синтетичних полімерних матеріалів, які застосовуються у світі в будівництві, з 1980-го року зросли більше, ніж у 100 разів. У наш час вони складають близько 1 мільярду м на рік, з яких 65 % використовується при влаштуванні ґрунтових споруд.
Найбільш істотним недоліком відомих технологій армування укосів геосинтетичними матеріалами є те, що їхні параметри встановлені безпосередньо за результатами практичного досвіду, без проведення системних наукових досліджень. Це призводить до погіршення техніко-економічних показників робіт по армуванню укосів цими матеріалами. Зокрема, збільшення вартості робіт може відбуватися в результаті недоцільної перевитрати армуючих полотен. Це в свою чергу призводить до збільшення об’ємів земляних робіт. Необґрунтовані величини довжини армуючого матеріалу, товщини армуючого шару або висоти укосу можуть призвести до того, що він матиме недостатню стійкість чи значну вартість.
Таким чином, сьогодні назріла необхідність проведення системних досліджень, вдосконалення існуючої технології та розробка надійного і ефективного способу зведення укосів, армованих геосинтетичними матеріала-ми. Висока ефективність використання таких материалів, необхідність їх більш широкого застосування і відсутність науково-обґрунтованих конструктивно-технологічних параметрів такої технології визначає актуальність теми.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконана відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на період до 2006 року, визначеними в Законі України від 11 липня 2001 р. №2623-III „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” напрямок №6 „Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості, будівництві та агропромисловому комплексі”, в рамках постанови Кабінету Міністрів України від 24.11.2001 р. №1716 „Про затвердження переліку державних науково-технічних програм з приорітетних напрямків розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки”.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення технології зведення ґрунтових споруд з кутом укосу, вищим за природній, шляхом розробки нового способу підвищення їх стійкості та визначення оптимальних технологічних параметрів його реалізації.
Для досягнення поставленної мети дослідження сформульовані основні задачі дисертаційної роботи:
Об'єктом дослідження є технологія зведення армованих укосів.
Предметом дослідження є технологічні способи підвищення стійкості укосів, армованих геосинтетичними метеріалами.
Методи дослідження. При роботі з літературними джерелами, пошуку та обґрунтуванні вибору предмета дослідження, а також у закінченні кожного розділу використовувався метод узагальнення та аналізу. При виконанні експе-риментальної частини роботи застосовувались методи теорії скороченого пла-нування та оптимізації експериментів. При обробці результатів експериментів використовувався метод експериментально-статистичного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів:
Практичне значення одержаних результатів:
Особистий внесок здобувача полягає в отриманні наступних результатів:
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на V науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”(Рівне, 2006); IV Міжнародній науково-практичній конференції “Іноваційні технології життє-вого циклу об’єктів житлово-громадського, промислового й транспортного призначення”(Ялта, 2006); міжкафедральних науково-технічних семінарах Одеської державної академії будівництва та архітектури (Одеса, 2003-2006) та Вінницького національного технічного університету (Вінниця, 2006); науково-технічних семінарах кафедри технології та механізації будівництва Одеської державної академії будівництва та архітектури (Одеса, 2003-2006).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових праць, з них 6 у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 1 стаття у збірнику наукових праць і 1 патент України.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, загальних висновків та додатку і включає 7 таблиць та 66 рисунків. Загальний обсяг 144 сторінки. Основний текст викладений на 117 сторінках, список літературних джерел складається з 119 найменувань на 12 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі вказані основні характеристики роботи: актуальність теми, мета і завдання досліджень, наукова новизна, практична цінність роботи тощо.
Перший розділ присвячений аналізу стану питання, сутності армо-ґрунтових конструкцій та сфері їх застосування, технології влаштування та матеріалам, застосовуваним при спорудженні таких конструкцій.
У розділі виділені основні недоліки традиційних технологій та матеріалів, що використовуються для зведення армоґрунтових конструкцій. Це, по-перше –обмежений термін служби дерева та сталі, що використовуються в якості традиційних армуючих матеріалів. По-друге –висока трудомісткість та вартість виконання робіт відомими технологіями. По-третє у вивчених джерелах інформації відсутні відомості про системні дослідження впливу технологічних параметрів армування ґрунтових споруд геотекстильними матеріалами на показники стійкості таких споруд.
Найбільш перспективним для укріплення армоґрунтових конструкцій є геосинтетичні матеріали. Проведений аналіз показав, що використання техно-логії армування ґрунтових споруд геотекстильними матеріалами позитивно впливає на характеристики та властивості таких споруд.
Найбільш відповідальною частиною армоґрунтових конструкцій є укоси. У зв’язку з цим, подальші дослідження були присвячені вивченню технології армування укосів геосинтетичними матеріалами, що забезпечує їх стійкість.
Другий розділ. У розділі викладаються технологічні основи стійкості ґрунтових споруд, армованих геосинтетичними матеріалами. Визначені причини та види втрати стійкості укосів таких споруд.
Виконана постановка мети і завдань досліджень, сформульована наукова гіпотеза. Проведений вибір найбільш значущих технологічних факторів для експериментальних досліджень, що мають вплив на показники стійкості армованих укосів. Розроблено експериментальну модель технологічного проце-су армування укосів і методика проведення експериментальних досліджень.
Аналіз відомих досліджень за темою роботи дозволив сформулювати гіпотезу про вплив технологічних факторів на показники стійкості армованих укосів. Результати системних наукових досліджень дозволили визначити найбільш впливові фактори та їх співвідношення при влаштуванні укосів з необхідними параметрами в різних умовах.
Застосування виявленого оптимального співвідношення факторів дозволяє влаштовувати укоси, здатні витримувати великі навантаження за необхідних умов. У дисертації розглянуті три основні умови експлуатації укосів. Перша умова –це експлуатація під впливом навантажень, що не викликають осадових деформацій. Друга –коли деформації не перевищують гранично допустимих значень. Третя –збереження стійкості укосів із будь-якими осадовими деформаціями, але без обвалення.
У результаті теоретичних досліджень виявлена велика кількість факторів, які мають вплив на показники стійкості армованих укосів. Тому в роботі проведений аналіз впливу кожного з них та відібрані для експериментальних досліджень найбільш значущі.
Для проведення експериментальних досліджень була вибрана схема трьохрівневої зміни кожного з факторів (1;0;+1). Дані про фактори та рівні їх варіювання показані в табл. 1.
У якості фактора х прийнята величина довжини заведення геотекстиля за поверхню ковзання (L). У експериментальних дослідженнях в якості ґрунту використано пісок, тому за поверхню ковзання прийнято кут внутрішнього тертя (). Цей фактор характеризує жорстку фіксацію армуючого матеріалу в стійкій частині ґрунтового масиву. За стійку частину прийнято ґрунтовий масив, розміщений за призмою обвалення, обмеженою кутом внутрішнього тертя. Величина х змінювалась в межах від 0 до 200 мм.
Таблиця 1
Фактори та рівні їх варіювання
|
№ |
Фактори |
Од. вим. |
Код |
Рівні факторів за планом експеременту |
||
|
1 |
+1 |
|||||
|
1 |
Довжина заведення армуючого полотна за криву ковзання, L |
мм |
х |
|||
|
2 |
Величина вертикального кроку армування, h |
мм |
х |
|||
|
3 |
Кількість армованих шарів, n |
шт |
х |
3 |
У якості фактора х, що характеризує висоту армованого укоса, прийнята кількість армованих шарів (n). Межа зміни фактора вибрана від 1 до 5.
Третім фактором, х, була висота шару армування (h). Межа варіювання фактора від 50 мм до 70 мм.
При проведенні експериментальних досліджень, вважали за необхідне перевірити вплив цих факторів на стійкість армованих укосів.
В якості армуючого матеріалу застосовувались два види геотекстилів: нетканий термоскріплений геотекстиль Typar SF 32 (виробництво фірми Du-Pont, Люксембург) і нетканий голкопробивний геотекстиль Руно 80 (виробництво фірми Акваізол, Україна, Харків). Технічні характеристики матеріалів представлені в табл. 2.
Таблиця 2
Технічні характеристики геотекстилів
|
Параметри |
Typar SF 32 |
Руно 80 |
|
Щільність, г/м |
200 |
|
|
Межа міцності на розтягання, повзд./попер. кН/м |
,2 |
,0/5,4 |
|
Занурення конуса, мм |
37 |
,2 |
|
Ширина полотна, м |
5,2 |
,2 |
|
Довжина полотна в рулоні, м |
150 |
|
|
Межа розтяжності повзд./попер. % |
/102 |
|
|
Міцність на роздирання, Н |
335 |
90 |
|
Розмір пор, мкм |
160 |
Для визначення характеру впливу параметрів армування на деформації армованих укосів було проведено експериментальні дослідження армованих укосів в лотку. Дослідження проводились на об’ємній моделі розміром 100Ч60Ч60 см з прозорою стінкою. Масштаб моделі 1:10. Армований укіс укладався пошарово (пісок дрібний, щільність 1,62 г/см, вологість 1-2 %, кут внутрішнього тертя 32°, зчеплення 0,003 МПа). Загальна товщина ґрунту під армованими шарами була прийнята рівною трьом висотам максимального розміру армованого шару та складала для моделі 21 см.
Вертикальне навантаження прикладалось через жорсткий прямокутний штамп з розмірами 10Ч50 см. Результати дослідження оцінювались по вимірюванню осадки штампа за допомогою прогибоміра ПМ-3, чи по факту втрати стійкості укоса (його обвалення). Навантаження створювалось насосною станцією через гідроциліндр і фіксувалося за показаннями манометра.
При влаштуванні укосу ґрунт укладався пошарово з ущільненням кожного шару. Ущільнення проводилось трамбуванням за допомогою штампа вагою 5 кг за умови не менше трьох ударів по одному і тому ж місці.
Армуючі полотна укладались після ущільнення кожного шару з одночасним формуванням укосу. При цьому на кожен шар ґрунту використовували окреме полотно. Верхній загин армуючого матеріалу складав 10 см. В основі кожного армованого шару ґрунту полотна армуючого матеріалу заводили за поверхню ковзання.
Рис. 1. Схема експериментальної моделі
1 - навантаження; 2 - жорсткий прямокутний штамп; 3 - призма обвалення;
4 - армуючі полотна; 5 - поверхня ковзання; 6 - товща ґрунту нижче армованого укосу
На етапі моделювання використані експериментально-статистичні моделі (ЕСМ) у вигляді квадратного полінома:
Y= b+ bixi+ bijxixj+ biixi,
де b статистична оцінка за експериментальними даними “істиних”коефіцієнтів ЕСМ (вільний член b, лінійний ефект від i-того фактора bi, ефекти взаємодії факторів bij, квадратичний ефект від i-того фактора bii).
Моделі були допущені для прийняття інженерних рішень тільки після їхнього статистичного (регресійного) аналізу, в ході якого перевірялись гіпотези: про рівність істиних коефіцієнтів ЕСМ нулю, якщо ця модель приймається, то відповідна оцінка виключалась, а сама модель перерахо-вувалась; про адекватність моделі в цілому експериментальним даним, за якими вона побудована.
Запланований експеримент припускав реалізацію серії дослідів, складених за визначеною схемою. Кожен із дослідів відрізнявся поєднанням незалежних змінних, які визначали умови його проведення при скороченні об’єму дослід-них робіт в порівнянні з повним багатофакторним експериментом. При цьому виконані дві найсуттєвіші вимоги:
Вибір області змінення факторів визначений теоретичними границями існування змінних, технічними можливостями й областями змінення змінних, представляючих практичний інтерес з точки зору конкретної задачі.
Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням. Дослідження проводились в два етапи. На першому етапі робіт була поставлена задача визначити вплив трьох технологічних факторів на показники стійкості укосу, армованого термоскріпленим геотекстилем Typar SF. На другому етапі вирішувалось те ж завдання, але з використаням голкопробивного геотекстиля Руно. В якості технологічних факторів розглядались три найбільш значимих: довжина заведення геоматеріалу за криву ковзання (х), висота армованого шару (х) та кількість армованих шарів (х). На заключному етапі проведена виробнича перевірка отриманих результатів у реальних умовах будівництва.
На першому та другому етапах експерименту визначали три показники. Перший –кількісне значення навантаження y(y'), при дії якого починають розвиватися осадкові деформації. Другий –кількісне значення навантаження y(y'), при якому осадки досягають гранично допустимого значення. За величину гранично допустимої осадки взята така, при якій не допускається нормальна експлуатація будівель та споруд. З урахуванням вибраного масштабу 1:10 гранично допустима осадка в експерименті взята 5мм. Третій –кількісне навантаження y(y'), при впливі якого укос втрачає стійкість та відбувається його обвалення.
У результаті виконання експериментальних досліджень отримані аналі-тичні моделі, які характеризують вплив технологічних факторів при різному поєднанні на різні показники стійкості укосів, армованих термоскріпленим геотекстилем Typar SF. Вони приведені нижче:
на величину навантаження, що відповідає початку розвитку деформацій
y=90,03+6,93х–,29х–,13х–,60х–,76хх+1,18х+2,97хх–1,56хх;
на величину навантаження, що відповідає досягненню гранично допустимого значення осадки
y = 208,33 + 20,23х–,15х –,06х –,45х + 5,07хх –,86хх;
на величину навантаження, що відповідає втраті стійкості укоса
y=279,7+29,46х–,27х–,38х–,22х+10,74х–,63хх+12,91хх+7,21хх.
Використовуючи аналітичні моделі, побудовано ізоповерхні впливу технологічних факторів на показники стійкості укосів, армованих термоскріпленим геотекстилем Typar SF, які показані на рис. 2.
1) 2)
A – f0b3e2 140 y2min=127,59 y2max=248,46
B – f0b3e2 170 x1=-1.00 x1=0.9
C – b3e2 200 x2=-1.00 x2=1.00
D – b3e2 230 x3=-1.00 x3=1.00
A – f0b3e2 70 y1min=65,07 y1max=104,53
B – f0b3e2 80 x1=-1.00 x1=0.6
C – b3e2 90 x2=1.00 x2=-1.00
D – b3e2 100 x3=1.00 x3=-1.0
)
A – f0b3e2 160 y3min=140.3 y3max=341.6
B – f0b3e2 200 x1=-1.00 x1=0.46
C – b3e2 240 x2=1.00 x2=-1.00
D – f0b3e2 280 x3=1.00 x3=1.00
c5 – f0b3e2 320
Рис. 2. Ізоповерхні впливу технологічних факторів на показники стійкості укосів, армованих термоскріпленим геотекстилем Typar SF:
1 на величину навантаження, що відповідає початку розвитку деформацій;
2 на величину навантаження, що відповідає досягненню гранично допусти-мого значення; 3 –на величину навантаження, при втраті стійкості укосу
Аналітичні моделі, які характеризують вплив технологічних факторів при різному їх поєднанні на різні показники стійкості укосів, армованих голкопробивним геотекстилем Руно, приведені нижче:
на величину навантаження, що відповідає початку розвитку деформацій
y'=81,21+7,17х–,97х–,35х–,1х–,59хх+0,969х+2,72хх1,61хх;
на величину навантаження, що відповідає досягненню гранично допустимого значення осадки
y'=182,37+15,66х–,53х–,97х–,66х+4,73хх–,01хх;
на величину навантаження, що відповідає втраті стійкості укоса
y'=224,77+29,89х–,55х–,24х–,76х–10,33хх+29,79х+ +7,15хх+ 13,74хх.
Використовуючи аналітині моделі, побудовані ізоповерхні впливу технологічних факторів на показники стійкості укосів, армованих голокопробивним геотекстилем Руно, показані на рис. 4.
Вплив технологічних факторів хi на величину навантаження, що відповідає досягненню гранично припустимого значення осадки (y, y') при закріпленні інших хj на рівнях, що відповідають максимальному значенню функції, а потім мінімальному, показано на рис 3.
) )
Рис. 3. Вплив технологічних факторів хi на величину навантаження, що відповідає досягненню гранично припустимого значення осадки при закріпленні інших хj на рівнях, що відповідають уmax а потім уmin: 1 –армування геотекстилем Typar SF; 2 –армування геотекстилем Руно; а –довжина заведення геоматеріалу за криву ковзання (х); б –висота армованого шару (х);
в –кількість армованих шарів (х)
Аналіз одержаних даних показує:
Результати досліджень першого та другого етапу підтвердили гіпотезу про можливість істотного збільшення показників стійкості укосів ґрунтових споруд при оптимальному співвідношенні технологічних параметрів їх армування геосинтетичними матеріалами.
1) 2)
A – b3e2 120 y'2min=113,8 y'2max=216,76
B – b3e2 150 x1=-1.00 x1=0.71
C – b3e5 180 x2=1.00 x2=-1.00
D – b3e2 210 x3=1.00 x3=-1.00
A – b3e2 60 y'1min=68,80 y'1max=94,86
B – b3e2 70 x1=-1.00 x1=1.00
C – b3e2 80 x2=1.00 x2=-1.00
D – f0e2 90 x3=1.00 x3=-1.0
3)
A – f0b3e2 130 y'3min=119,89 y'3max=298,55
B – b3e2 170 x1=-1.00 x1=0.51
C – b3e2 210 x2=1.00 x2=1.00
D – b3e2 250 x3=1.00 x3=-1.00
c5 – b3e2 290