Full Text

Современное развитие территории России, занимаемой вечной мерзлотой на около 65 %, не может быть решено без новых технических решений с использованием композитных наноматериалов, соответствующих природно-техногенным условиям Крайнего Севера. Авторами предлагается использовать новые технические решения сооружений и конструкций с применением композитных гетеромодульных наноматериалов, обладающих свойствами сохранения проектной формы, восстановления (реологическими, гидрофобными, трибологическими свойствами), позволяющие использовать их в условиях вечной мерзлоты. Это говорит о том, что необходимо создание подобных материалов с заранее запланированными свойствами, которые формируются на стадии технологического процесса их изготовления, т.е. требуется улучшить существующие композиционные материалы (инженерные сплавы, эластомеры, инженерные композиты, полимеры) и получить новые, которые позволят использовать их в гидроэнергетическом, транспортном, городском строительстве [1-3]. В качестве водоподпорных сооружений предлагается использовать плотины из незамкнутых регулируемых оболочек на завышенном флютбете, которые позволяют создать водохранилище сезонного пользования, например для рекреационных зон, водоснабжения и гидроэнергетики децентрализованных поселений (рис. 1) [4]. Исследование плотины с водовыпускными окнами представлено на рис. 2. При увеличении уровня воды полотнище плотины поднимается и открываются нижние водовыпускные окна. Для берегоукрепительных сооружений, оснований городской застройки нами предлагаются грунтоармированные, грунтонаполняемые конструкции (рис. 3, 4). Рис. 1. Регулируемая плотина с водовыпускными окнами: 1 - грунтонаполняемое основание; 2 - водоподпорное полотнище (мембрана) из композитных наноматериалов; 3 - верхние водовыпускные окна; 4 - нижние водовыпускные окна; 5 - узел крепления (русловой анкер) мембраны к грунтонаполняемому основанию; 6 - береговая анкерная опора; 7 - водный поток Fig. 1. Adjustable water discharge dam with water outlets, 1 is the ground-filling base; 2 is the waterproof cloth (membrane) made of composite nanomaterials; 3 are the upper water outlet windows; 4 are the lower water outlet windows; 5 is the attachment point (channel anchor) of the membrane to the ground-filling base; 6 is the shore anchor support; 7 is the water flow Рис. 2. Грунтонаполняемое подпорное сооружение для транспортных систем: 1 - грунтонаполняемый лицевой блок-оболочка; 2 - грунтонаполняемый внутренний блок-оболочка; 3 - дренажное устройство Fig. 2. Soil-filling retaining structure for transport systems, 1 is the soil filling block shell; 2 is the soil filling inner block-shell; 3 is the drainage device Рис. 3. Грунтоармированное подпорное сооружение с единой лицевой стенкой: 1 - лицевая стенка; 2 - насыпной грунт; 3 - гибкие связи; 4 - ленты-оболочки; 5 - гофрированные и плоские армоленты; 6 - оболочка-дрена; 7 - специальные отверстия; 8 - дренажная система; 9 - анкерные блоки Fig. 3. Ground-reinforced retaining structure with a single face wall, 1 is the front wall; 2 is the bulk soil; 3 are flexible connections; 4 are wrapping tapes; 5 are corrugated and flat reinforced tapes; 6 is the shell-drain; 7 are special holes; 8 is the drainage system; 9 are anchor blocks Рис. 4. Установка для исследования пропускной способности плотины с верхними и нижними водовыпускными окнами Fig. 4. Testing machine for the investigation of the dam capacity with upper and lower water outlet windows Обоснование параметров грунтоармированных и грунтонаполняемых конструкций основывается на определении их оптимальной формы с учетом прочности и устойчивости, а также прочностных и восстановительных показателей композиционного наноматериала с учетом требований природно-климатических условий, т.е. усилие в грунтонаполняемой оболочке будет вычисляться по следующей зависимости [5-13]: (1) где - форма оболочечной грунтонаполняемой конструкции; - внутренние и внешние нагрузки, кН; - свойства композитного наноматериала, отвечающего природно-климатическим условиям работы конструкций; - жизненный цикл существования сооружения; - энергия восстановления, Дж. здесь - модуль Юнга, ; - относительное удлинение, Па; ; - мгновенная прочность, которая определяется по зависимости Аррениуса , где - начальная прочность; - энергия активации; - энергия реакции; - включает в себя константы и и является функцией концентрации веществ, а также их природы; - константа, характеризующая размер дефекта; - константа, зависящая от материала, где и - коэффициенты релаксации композиционного материала во времени. Для грунтоармированных конструкций усилия в армирующих элементах, удерживающих лицевую стенку в устойчивом положении, определяются следующим образом: (2) где - ширина армолент; - число арматуры на 1 пог. м подпорного сооружения, ( - горизонтальная, - наклонная); , - угол внутреннего трения грунта; - плотность армированного грунта; - высота слоя армирования, м; - свойства композитного наноматериала. При этом следует учитывать компоненты композитного наноматериала с четкой границей раздела между ними, создавая неоднородный сплошной материал, который должен представлять собой систему с сохранением индивидуальности каждого из них. Матрица является важнейшим элементом композита, так как распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая при этом равномерную нагрузку на волокна и перераспределяя ее при его разрушении. При изготовлении композитов используют определенные методы, позволяющие при их проектировании задавать им характеристики, которые будут соответствовать требованиям высокой устойчивости при меняющихся природно-климатических условиях, высокой удельной прочности, эргономичности, сохранения заданных параметров и т.п. При эксплуатации следует учитывать физико-механические, физико-химические и температурные свойства, стойкость к окружающей среде, прочностные характеристики при сдвиговых нагрузках, нагружения композита в направлениях, которые отличаются от ориентации волокон, включая циклические нагрузки (в том числе сейсмические) [14, 15]. Таким образом, для широкого внедрения разработанных технических решений с применением новых композитных наноматериалов необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования в условиях, приближенных к конкретным местам их установки, включая южные и северные регионы РФ. Новые композиционные наноматериалы позволят увеличить срок службы грунтонаполняемых и грунтоармированных конструкций в сооружениях берегозащиты, транспортной инфраструктуре, укреплении оснований и фундаментов.

About the authors

T. P Kasharina

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

D. V Kasharin

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

References

Statistics

Views

Abstract - 148

Refbacks

• There are currently no refbacks.