Обоснование конструктивно технологических решений ледовых переправ, армированных геосинтетическими материалами

На правах рукописи

Якименко Ольга Владимировна ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЛЕДОВЫХ ПЕРЕПРАВ, АРМИРОВАННЫХ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ Специальность 05.23.11– Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Омск • 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Сиротюк Виктор Владимирович доктор технических наук, профессор Научный консультант:

Матвеев Сергей Александрович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Смирнов Александр Владимирович кандидат технических наук, доцент Вдовин Евгений Анатольевич ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

Ведущая организация:

университет путей сообщения (СГУПС)»

Защита состоится 22 декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссер тационного совета Д 212.250.01 ВАК РФ при ФГБОУ ВПО «СибАДИ» по адресу: 644080, г. Омск-80, проспект Мира, 5, СибАДИ, ауд. 3124.

Телефон для справок: (8-3812) 65-20-41;

факс: (8-3812) 65-03-23.

E-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибАДИ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Копию отзыва можно присылать на e-mail: [email protected].

Автореферат разослан 21 ноября 2011 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Т.В. Боброва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большая часть территории нашей страны рас положена в северных районах, лишённых развитой дорожной сети. В зим ний период для доставки грузов, пассажиров и техники в этих районах ши роко используются автозимники и ледовые переправы. Так, например, по данным МЧС, ежегодно в России официально действует до 500 ледовых переправ.

При освоении новых месторождений нефти и газа ледовые переправы незаменимы, а в северных районах нашей страны являются единственной связью с Большой землёй. Так, по данным Комитета Совета Федерации по делам Севера и малочисленных народов, до 65 % населённых пунктов в ХМАО, 56 % – в Якутии, 81 % населённых пунктов в Чукотском АО не имеют круглогодичного выхода на дороги с твёрдым покрытием. При этом длина переправ колеблется от сотен метров до сотен километров (оз. Бай кал, р. Енисей и т.п.).

Отличительные особенности ледовых переправ и автозимников – сравнительно малые интенсивность и скорость движения транспортных средств, а также значительная грузоподъёмность большинства автомоби лей, осуществляющих грузоперевозки по этим временным дорогам. Для безопасного пропуска большегрузных транспортных средств (общей мас сой 3040 т и более) требуется толстый прочный ледовый покров ( см и более) с минимумом трещин.

За историю строительства ледовых автозимников для их усиления ис пользовали всевозможные материалы: солому, ветки, стальные тросы, пуль пу из газетной бумаги, листы пергамента и т.п.

В нормативах ледовые автозимники рекомендуется усиливать намо раживанием дополнительных слоёв льда сверху. Иногда вмораживают в верхнюю часть ледового покрова деревянные брусья и устраивают настил.

Этот способ усиления очень трудоёмок, дрог и в основном помогает при ослаблении ледового покрытия сквозными трещинами.

Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований сви детельствует, что армирование дорожных конструкций геосинтетическими материалами (ГМ) позволяет повысить их сопротивление растягивающим напряжениям от силовых и температурных воздействий, уменьшить тре щинообразование и увеличить срок службы автомобильных дорог. Эти ис следования и сорокалетняя практика применения ГМ касаются усиления слабых грунтовых оснований, земляного полотна, дискретных оснований и асфальтобетонных покрытий. В российских и зарубежных публикациях имеются лишь отрывочные сведения о целесообразности применения ГМ при строительстве автозимников.

До настоящего времени нет единого мнения в вопросах конструирова ния и расчёта армированных дорожных конструкций, в выборе эффектив ных ГМ. Далеко не всё ясно в вопросах технологии строительства конст рукций, армированных ГМ.

Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в развитии научных положений и практических рекомендаций по усиле нию ледового покрова автозимников геосинтетическими материалами.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Исследования выполнялись по прямым договорам с производ ственными подразделениями.

Основная идея работы состоит в научном обосновании метода рас чёта и конструктивно-технологических решений при строительстве ледо вых переправ, армированных геосинтетическими материалами.

Объектом исследования является ездовое полотно ледовых переправ.

Предмет исследования – закономерности изменения прочностных и деформативных параметров армированных ледовых покрытий при введе нии армирующих прослоек из геосинтетических материалов.

Цель диссертационного исследования – обосновать увеличение не сущей способности ледового покрова и повышение безопасности движе ния транспорта за счёт армирования льда геосинтетическими материалами.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и ре шены следующие задачи:

– проанализированы результаты исследований свойств льда, опыт строительства и эксплуатации ледовых переправ;

– разработаны методики лабораторных испытаний и эксперименталь но изучены особенности физико-механических свойств геосинтетических материалов при отрицательных температурах и высокой влажности;

– на основе математического моделирования сделан прогноз измене ния напряжённого состояния ледового полотна от силовых воздействий при введении армирующих прослоек;

– разработаны методики лабораторных испытаний и эксперименталь но изучены физико-механические свойства льда, армированного геосинте тическими материалами;

– проверены результаты экспериментально-теоретических исследова ний путём строительства и обследования опытных участков с армирован ным ледовым полотном;

– разработаны рекомендации по проектированию и строительству ле довых переправ, армированных геосинтетическими материалами.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

– впервые разработана классификация способов увеличения несущей способности ледовых переправ;

– впервые предложена регламентация требований к геосинтетическим материалам для строительства ледовых переправ;

– на основе математического моделирования определены закономер ности формирования напряжённого состояния ледового полотна автозим ников, армированного ГМ при воздействии транспортной нагрузки;

– экспериментально установлены закономерности изменения механи ческих свойств льда, армированного стеклосетками и плоскими георешёт ками из полипропилена, и показатели этих свойств, необходимые для рас чёта ледового полотна;

– предложена методика расчёта ледового покрова переправ, армиро ванного ГМ;

– предложены новые способы строительства ледовых переправ, арми рованных ГМ.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на базе проведённых исследований разработаны рекомендации по проектированию и строительству ледовых переправ, армированных гео синтетическими материалами, включающие:

– регламентацию требований к ГМ;

– рекомендации по конструированию и расчёту ледовых переправ, ар мированных геосинтетическими материалами;

– предложения по технологии строительства армированных ледовых переправ и демонтажу армирующих прослоек в весенний период.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций под тверждается:

– соблюдением основных принципов физического и математического моделирования;

– достаточным объёмом экспериментальных данных, полученных с использованием приборов и оборудования, прошедших поверку и аттеста цию;

– удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретиче ских результатов;

– результатами опытно-производственной проверки результатов тео ретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад автора заключается в определении цели и задач иссле дования;

выполнении теоретических и экспериментальных исследований;

участии в опытно-производственном строительстве и обследовании опыт ных участков, а также в анализе и обобщении полученных результатов.

Реализация результатов исследования осуществлена путём строи тельства и обследования опытных участков армированных ледовых пере прав. Рекомендации переданы для внедрения в проектные и строительные организации г. Красноярска (ООО «Индор-Красноярск») и г. Омска (ООО «Омскдорпроект»).

Теоретические и практические разработки используются при подго товке учебных пособий, проведении лекций и практических занятий по дисциплинам «Специальные вопросы проектирования дорог», «Примене ние геосинтетических материалов в дорожных конструкциях», «Усиление ледовых переправ и автозимников» со слушателями ФПК, студентами и магистрантами СибАДИ, при разработке дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы исследования доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на восьми конференциях: на II Всерос сийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и мо лодых учёных «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строитель ной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2007);

на 62-й научно-технической конференции (Омск, 2008);

на I Всероссийском дорожном конгрессе (Москва, 2009);

на IV Всероссий ской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Омск, 2009);

на технологическом конгрессе «Новые технологии строительства и содержания автомобильных дорог в условиях Сибири и Крайнего Севера» (Омск, 2009);

на VII Международной научно технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2009);

на 63-й научно-технической конференции (Омск, 2009);

на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Омск, 2010).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в научных статьях (две статьи опубликованы в издании, рекомендованном в списке ВАКа), получены два патента: на изобретение (№ 2739409 от 21.07.2008 «Способ создания ледовой переправы») и полезную модель (№ 93820 от 21.07.2008 «Ледовая переправа»).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, библиографического списка и приложений.

Результаты исследования изложены на 180 страницах основного текста, включающего 116 рисунков, 32 таблицы, библиографический список из 128 наименований;

объём приложений – 36 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, которому посвящена диссертационная работа, сформулированы цель и задачи рабо ты, изложена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан обзор существующих классификаций и конструк ций автозимников. Описаны методы проектирования и строительства ле довых переправ. На основе анализа и обобщения научных публикаций, па тентной информации, опыта строительства и эксплуатации ледовых пере прав соискателем разработана классификация способов увеличения несу щей способности ледового покрова (рис.1). Представлена информация о геосинтетических материалах (ГМ), выпускаемых отечественными и зару бежными производителями для усиления дорожных конструкций, физико механические свойства этих ГМ.

Во второй главе рассмотрены механические свойства льда и особен ности его поведения под действием подвижной нагрузки. Выполнен анализ существующих методов расчёта и определения несущей способности ле довых переправ, составлена классификация этих методов.

Наибольший научный вклад в исследование свойств льда, как мате риала дорожного покрытия, его физико-механических свойств внесли Б.А.

Савельев, С.А. Бернштейн, И.П. Бутягин, Б.П. Вейнберг, К.Н. Коржавин, С.С. Вялов, С.С. Голушкевич, Н.Н. Зубов, К.Е. Иванов, П.П. Кобеко, Н.В.

Черепанов, А.Р. Шульман, В.В. Лавров, Б.Д. Карташкин, А.Н. Комаров ский, И.С. Песчанский, В.Н. Пинегин, Н.К. Снитко, Н.Д. Шишов, В.В. Бо городский, Н.Х. Флетчер, З.В. Глен, М. Ивинг, А. Крэри, А. Торн и др. Ряд учёных предлагали разные способы усиления и расчёта ледового полотна:

Н.К. Васильев, М.М. Корунов, И.С. Песчанский, В.П. Симаков, В.М. Ко зин, В.С. Морозов, Н.Н. Бычковский, Д.Е. Хейсин, К.Ф. Войтковский, Д.Ф.

Панфилов и др.

Для оценки эффективности применения ГМ в качестве арматуры для льда был выполнен расчёт на прочность ледовых образцов балок. На рис. представлена схема действия нагрузок на образец – балку. Поперечное се чение балки – прямоугольник (рис. 3). Данная схема испытаний моделиру ет наиболее опасный случай работы льда под нагрузкой – участки, где лёд завис над водой (а не плавает в ней). При действии нагрузки балка испы тывает две стадии напряжённого состояния.

Первая стадия продолжается от момента нагружения до образования первой трещины, нормальной к его продольной оси. Первая трещина обра зуется в опасном сечении под нагрузкой при достижении растягивающими напряжениями значений, равных расчётному сопротивлению льда на рас тяжение (0 = Rизг). На данной стадии были определены напряжения во льду и арматуре, равнодействующие внутренних сил в растянутой и сжа той зонах поперечного сечения, а также растягивающее усилие в арматуре.

Напряжения в основной части поперечного сечения изо льда равны E1 M 1 y, (1) Eприв J где М – изгибающий момент в опасном сечении.

Рис. 1. Классификация способов увеличения несущей способности ледового покрова и продления сроков эксплуатации переправ Рис. 2. Расчётная схема действия нагру зок: F – сила, приложенная к образцу;

l – расстояние между опорами Рис. 3. Поперечное сечение образца Напряжение в арматуре равно E2 M 2 y2. (2) Eприв J Определим равнодействующие внутренних сил (рис. 4), возни кающих в растянутой и сжатой зонах поперечного сечения (R2 и R1):

1 R1 1h1 b ;

R2 2 h2 b. (3) 2 Растягивающее усилие в арматуре N0 определя ем из следующего условия:

X N 0 R1 R2 0 N 0 R1 R2. (4) Сопоставив предельную расчётную величину растягивающих напряжений от приложенной на грузки с экспериментальными данными, мы полу чили близкие значения.

Рис. 4. Расчётная схема Вторая стадия начинается с момента образо- для определения R1, R0 и вания первой трещины. Расчётная схема и схема N0 на первой стадии действия сил представлены на рис. 5.

Fl N0. (5) 4h1 h Для оценки состояния образца на второй стадии использовали мо дель плоского напряжённого состояния и функцию Эри. Решение пло ской задачи заключается в определении функции напряжений (x, y) из бигармонического уравнения с использованием метода конечных раз ностей:

4 4 2 2 2 4 0. (6) x 4 x y y Рис. 5. Расчётная схема работы балки (а) и действия сил (б) на фрагмент балки на второй стадии Для решения задачи исследуемая область была разбита на ячейки размерами x=y=1см. В результате получили 14 узлов по оси Y и узлов по оси X. Расчётным путём были вычислены нормальные напря жения x, y, касательные xy и главные напряжения max и min во всех узлах сетки:

x y x y xy.

max,min (7) 2 По результатам расчёта построены эпюры напряжений и вычисле ны углы наклона нормалей главных площадок, построены изолинии действия главных напряжений (рис. 6).

б Рис. 6. Изолинии действия главных напряжений (a), пример разрушения армированного ледового образца (б) Сравнивая картину изолиний с сеткой трещин, образующихся при проведении лабораторных испытаний, можем сделать заключение, что наклон и зона локализации трещин достаточно хорошо совпадают с аналогичными характеристиками изолиний. Это подтверждает адекват ность выбранной модели разрушения армированного образца.

Полученные результаты позволяют теоретически прогнозировать и обосновать увеличение безопасности движения по ледовым переправам за счёт снижения вероятности резкого и хрупкого разрушения армиро ванного льда под нагрузкой.

При выполнении теоретических исследований и определении не сущей способности переправ ледовый покров можно представить в ви де бесконечной плиты, лежащей на упругом основании. Для исследова ний использовались и сопоставлялись два метода: метод Панфилова и метод Матвеева – Немировского. Оба метода расчёта дали близкие ре зультаты (для неармированного льда). Однако метод Матвеева – Неми ровского позволяет определять напряжённое состояние многослойной плиты, лежащей на упругом основании (рис. 7), с учётом включения в состав плиты отдельных слоёв, имеющих композитную структуру, близкую по своим свойствам слоям льда, армированным геосинтетиче скими материалами.

Для случая цилиндрического из гиба расчётная схема плиты фактиче ски заменяется расчётной схемой бесконечной полосы на упругом ос новании. Для замены бесконечной полосы полосой конечной длины по добраны её размеры, которые при- Рис. 7. Расчётная схема плиты мерно равны размерам чаши проги бов бесконечной полосы.

Зависимости между напряжениями и деформациями для упругого слоя, расположенного в плоскости xy, имеют вид x A11 x A12 y A1T T ;

y A 21 x A 22 y A1T T ;

(8) xy A 33 xy ;

x, y, xy – напряжения;

x, y, xy – деформации;

А11, А12, А21, А22, А где – упругие постоянные;

A1T, A2T – коэффициенты термоупругости;

T – температу ра.

Выражения (8) справедливы как для неармированных (изотроп ных), так и для армированных (ортотропных) слоёв. Упругие постоян ные для армированного слоя определяются по формулам E0 E x E x ;

A22 y Ey ;

A11 2 1 0 1 0 E0 0 E (9) A12 A21 A ;

, 21 1 где Е0, 0 – модуль упругости и коэффициент Пуассона основного материала слоя;

Ех, Еy – модули упругости армирующих волокон, ориентированных вдоль осей x и y соответственно (рис. 8).

Постоянные, x, y определяются из выражений dy d (10) x x ;

y ;

1 x y.

2b 2a Максимальный изгибающий момент определяется по формуле Рис. 8. Характерная ячейка армирующей геосетки M max M 0 F1 L / 2 Q 0 F2 L / 2 q F3 L / 2, (11) где М(0) и Q(0) – начальные параметры.

Максимальный прогиб определяется из выражения q wmax M x 0F3 L / 2 Q x 0 F4 L / 2 4 1 F1 L / 2, (12) k где F1, F2, F3, F4 – функции Крылова.

Для армированных слоёв вычислены упругие постоянные, а для всей плиты определены изгибающий момент, поперечная сила и мак симальный прогиб в центре грузовой площадки.

Сравнивая прогибы неармированной ледовой плиты с прогибами плиты, армированной различными видами геосинтетических материа лов, установили, что при введении армирующих геосинтетических ма териалов в ледовую плиту происходит уменьшение максимального прогиба конструкции (табл. 1).

Таблица Результаты расчёта Уменьшение прогиба, Геосинтетический материал Прогиб, м % Сетка СТ-100 0,026 56, Решётка Поли-40 0,049 18, Решётка Поли-30 0,050 15, Решётка Поли-20 0,051 14, Величина снижения максимального прогиба зависит от характери стик используемого материала: наибольшее снижение получено для стеклосетки, имеющей максимальную прочность и минимальную де формативность, а минимальные – для георешётки из полипропилена.

Достоверность результатов расчётов подтверждается удовлетворитель ным совпадением экспериментальных и теоретических данных. Разли чия величин уменьшения прогибов, полученных теоретически и при опытно-производственной проверке, составляют 520 %.

Для оценки прочности конструкции ледовой переправы, армиро ванной геосинтетическими материалами, определяли напряжения в разных слоях ледовой плиты по формулам x A11 c11 z w ''.

'' i i i (13) Здесь w'' – кривизна, определена с помощью метода начальных па раметров.

Для определения напряжения непосредственно в армирующем ма териале используем условие равенства относительных деформаций x в композитном слое и непосредственно в армирующих волокнах арм арм, (14) Eарм где Еарм – модуль упругости армирующего материала;

арм – деформация в арми рующем слое.

cp арм арм. (15) арм A арм cp арм – среднее напряжение в армирующем слое;

A11 – упругая характери здесь стика композитного армированного слоя.

Из условия прочности получено выражение для определения не сущей способности ледового покрова A R P 0 K2, (16) K1 B где R – предел прочности льда на растяжение при изгибе, МПа.

Для приближённых расчётов в работе предложен метод определе ния несущей способности по упрощённой математической модели:

hпр 0,5hмут К P К 3 К 4 К арм, (17) 11nи где hпр и hмут – толщина прозрачного и мутного льда, см;

nи – коэффициент, учиты вающий интенсивность движения;

К2 – коэффициент изменения общей структуры льда при намораживании;

К3 –коэффициент запаса прочности при оттепелях;

К4 – коэффициент неравномерности структуры льда;

Карм – коэффициент, учитывающий наличие армирующей прослойки из геосинтетического материала.

Это известная и проверенная формула. Численные значения коэф фициентов К2 – К4 приведены в ОДН 218.010-98. Мы добавили в эту формулу коэффициент армирования Карм, численные значения которого определены теоретически и проверены экспериментально (табл. 2).

Таблица Значения коэффициента армирования Карм Карм при Прочность геосетки Относительная деформация верхнем/нижнем (плоской георешётки), кН/м при разрыве, %, не более армировании 3 1,10/1, 8 1,05/1, 3 1,20/1, 8 1,15/1, 3 1,30/1, 8 1,25/1, Примечание. Промежуточные значения коэффициентов по прочности, деформа тивности и местоположению ГМ определяются методом интерполяции.

При «верхнем армировании» армирующий материал располагается в зоне не глубже 1/3 от общей толщины ледового покрова, но не ближе 5 см от дневной поверхности льда. При «нижнем армировании» арми рующий материал располагается в зоне не выше 1/3 от общей толщины ледового покрова, но не ближе 5 см от нижней поверхности льда.

Третья глава содержит результаты исследований свойств геосин тетических материалов при отрицательных температурах и повышен ной влажности, а также льда, армированного ГМ. Для армирования об разцов использовали георешётки и геосетку (табл. 3).

Таблица Некоторые свойства геосинтетических материалов, использованных для армирования ледовых образцов Условное наименова- Прочность при Относительная Размер ние геосинтетического Сырьё растяжении, деформация ячейки, материала кН/м при разрыве, % мм Плоская георешётка Полипропилен 22,4 6,5 Поли- Плоская георешётка Полипропилен 32,2 6,1 Поли- Плоская георешётка Полипропилен 40,5 6,3 Поли-40 (геокомпозит) Стеклосетка Стекловолокно, 109 1, СТ-100 (геокомпозит) полипропилен При определении предела прочности при растяжении образцы ГМ имели ширину 180220 мм, в зависимости от вида материала и размера ячеек. Образцы выдерживались в климатической камере при заданной температуре в течение суток. Испытания проводились при температуре материала +20±2 °С, 0±2 °С и –20±2 °С. Для моделирова ния высокой влажности образцы перед испытанием помещались в воду, а потом равномерно обливались водой (вода распылялась по всей по верхности образца из пульверизатора) непосредственно в морозильной камере до образования слоя льда толщиной не менее 1 мм. Результаты определения предела прочности при растяжении геосинтетических мате риалов при отрицательной температуре приведены на рис. 9.

Рис. 9. Результаты определения предела прочности при растяжении ГМ при положительной и отрицательной температурах (1 – 4 – соответственно СТ-100, Поли-40, Поли-30 и Поли-20 при температуре 20 °С (данные Е.

Крашенинина);

1* – 4* – те же материалы при температуре –20 °С Установлено, что при понижении температуры испытаний ГМ не происходит заметного изменения предела прочности на растяжение.

Деформативность георешёток на основе полимеров снижается до 2035 %, а на основе стекловолокна – до 7 %. При этом не наблюдается существенного повышения хрупкости этих материалов.

В результате исследований по определению ползучести и дли тельной прочности геосинтетических материалов при отрицательной температуре установлено, что период завершения деформаций ползу чести ГМ зависит от величины приложенной нагрузки (рис. 10).

При отрицательной температуре нарастание деформации ползуче сти у георешёток из полипропилена замедляется в два раза по сравне нию с деформациями при положительных температурах. Стеклосетка имеет практически одинаковую кинетику нарастания деформаций при отрицательной и положительной температурах.

Рис. 10. Процесс ползучести геосинтетических материалов при положитель ной (а;

данные Е. Крашенинина) и отрицательной (б) температурах При определении прочности ГМ после воздействия циклов замо раживания-оттаивания образцы укладывали на дно ванны, которая за полнялась водой и помещалась в морозильную камеру при температуре –20±2 °С до полного замерзания воды. После этого проводили полное размораживание образцов при комнатной температуре (1823 °С) до отсутствия льда в ванне. Образцы подвергали 25 циклам заморажива ния-оттаивания. В результате установлено, что максимальное снижение прочности (до 13 %) наблюдается при испытании георешёток на основе полимеров, до 4 % – для материала на основе стекловолокна.

Для формирования образцов изо льда формы из полипропилена помещались в морозильную камеру, где в них послойно наморажива лись ледовые балки. Размеры готовых образцов составляли 400100100 мм. Размер образцов обусловлен размерами ячеек геосин тетических материалов.

После замораживания образцы хранились в морозильной камере.

Срок хранения образцов не превышал двух суток. Для предохранения образцов от выветривания они были изолированы полиэтиленовой плёнкой. Перед испытаниями при заданной температуре образцы тер мостатировались в течение 6 часов. Испытания проводили на компью теризированной установке ЛКСМ-1 при постоянной скорости нагруже ния (100±1) мкм/с. Расстояние между опорами составляло 260 мм.

Лабораторные исследования показали различия в механизме раз рушения армированных и неармированных образцов. При достижении предела прочности (0=Rизг) в основной части сечения балки появляет ся центральная трещина. При этом неармированный образец разруша ется хрупко, в одну стадию, образуя две призматические части. В арми рованном образце после появления первой трещины в работу вступают армирующий материал и лёд, находящийся выше георешётки. Величи на второй стадии зависит от прочности и деформативности армирую щего материала и силы сцепления между армирующим и армируемым материалами. Эта стадия характеризуется дальнейшим развитием тре щин (см. рис.6, б). С увеличением нагрузки в арматуре растянутой зоны развиваются неупругие деформации и уменьшается её сцепление со льдом, который постепенно исключается из работы. Лёд начинает ра ботать как дискретный материал, что приводит к разрушению образца без разрушения арматуры.

Максимальная величина второй стадии наблюдалась у льда, арми рованного стеклосеткой с прочностью на разрыв 100 кН/м (рис. 11).

Рис. 11. Одна из диаграмм, иллюстрирующая характер разрушения неармированных балок изо льда (1) и армированных геосеткой (2) При этом предел прочности на растяжение при изгибе возрастает не более чем на 15 %, а суммарная работа, потребная для полного раз рушения образцов, увеличивается в 35 раз по сравнению с неармиро ванными образцами. Эксперименты показали, что с понижением тем пературы льда от 0 оС до –20 оС его прочность и модуль упругости воз растают в 3,03,5 раза.

В четвертой главе изложены результаты строительства и обсле дования опытных участков ледовых переправ, усиленных геосинтети ческими материалами. Представлена экономическая оценка предлагае мых решений.

Опытные участки ледовой переправы, армированной геосинтети ческим материалами, были построены и испытаны с участием Омского танкового института с целью проверки результатов теоретических и экспериментальных исследований. Отрабатывались технологии вмон тирования (вмораживания) армирующего материала в лёд и демонти рования весной.

В ходе строительства и испытаний были апробированы четыре конструктивно-технологических решения:

верхнее намораживание слоёв льда (без армирования);

вмораживание ГМ в лёд способом «притапливания» (рис. 12, а);

укладка армирующего материала на поверхность льда с после дующим намораживанием дополнительных слоёв льда (рис. 12, б);

вмораживание ГМ в лёд способом «подныривания» (рис. 13).

При строитель стве опытного уча стка использовались геосинтетические материалы на основе полипропилена и стекловолокна марок СТ-100, Поли-20 и Рис. 12. Усиление льда способом «притапливания» Поли-40 (см. табл.

(а) и укладка армирующего материала на поверх 3). Розлив воды на ность льда (б): 1 – водоём;

2 – армирующий матери поверхность льда ал;

3 – поплавки;

4 – естественный ледовый покров;

для намораживания 5 – валики из снега;

6 – намороженные слои льда;

– грузы дополнительных слоёв производился при помощи пожарной машины на базе автомобиля «Урал-5557». Об валовка участков снежными валами осуществлялась вручную.

Наблюдение за ледовым покровом на опытных участ ках в течение двух зим показало:

– участки неар Рис.13. Усиление льда способом «подныривания»: 1 – вода;

2 – армирующий геосинтетический материал;

3 – мированного ледо естественный ледовый покров;

4 – вешка, закрепляю- вого покрова, очи щая геосинтетический материал;

5 – майна;

6 – лёд, об- щенные от снега, разовавшийся после укладки армирующего материала покрывались сеткой трещин с шириной раскрытия до 10 мм, глубина раскрытых трещин – до 47 см, что составляло до 80 % от общей толщины льда;

– на участках ледового покрова, армированных ГМ, раскрытые трещины отсутствовали;

встречались только волосяные беззазорные трещины.

Перед испытаниями проводили измерения толщины льда, выпол няли разбивочные работы. До начала нагружений определяли высотные отметки поверхности льда в каждой контрольной точке. Для измерения общего и упругого прогибов ледовой поверхности использовался длин нобазовый прогибомер МАДИ-ЦНИЛ. Параллельно размер чаши про гибов определяли путём контроля высотных отметок через 1 м высоко точным теодолитом с рейкой. Для испытаний использовали четыре ви да колёсной и гусеничной техники общей массой от 4 до 42 т.

Испытания показали, что на всех участках, армированных ГМ, не сущая способность ледового покрова увеличилась. «Верхнее армирова ние» позволяет уменьшить прогибы до 30 %. Наибольшее увеличение (до 70 %) достигнуто на участке, армированном стеклосеткой. Оба уча стка, армированные полипропиленовой георешёткой, показали увели чение несущей способности на 3035 % по сравнению с неармирован ным ледовым покровом одинаковой толщины.

Основная причина увеличения несущей способности ледового по крова, армированного в верхней части, заключается в повышении тре щиностойкости ледовой плиты. Максимальное увеличение несущей способности ледового покрова получено при усилении нижней части ледовой плиты методом «подныривания».

В ходе исследований были опробованы различные способы демон тирования (удаления) геосинтетических материалов из верхней и ниж ней частей ледового покрова. В результате рекомендованы проверен ные способы, не представляющие существенных организационно технологических трудностей, позволяющие извлечь армирующий мате риал в весенний период для его последующего использования.

Строительство и испытания опытных участков с использованием одних и тех же ГМ осуществлялись в течение двух зимних периодов.

Установлено, что сохранность прочностных свойств георешёток из по липропилена после механических воздействий и длительного нахожде ния в воде и во льду несколько выше, чем у геосетки из стекловолокна:

после первого года георешётки потеряли 23 % прочности, а стекло сетка – 7 %. После второго года потери составили 1819 % и 24 % со ответственно.

В работе выполнена оценка экономической эффективности приме нения ГМ для армирования ледовых переправ. Для сравнения приняты три альтернативных варианта: усиление ледового покрова наморажива нием дополнительных слоёв льда сверху, усиление ледового покрова вмораживанием деревянного настила, усиление ледового покрова ар мированием геосинтетическими материалами.

При сравнении вариантов усиления было учтено следующее:

– увеличение несущей способности ледового покрова наморажива нием льда имеет ограничения: этот метод эффективен только при срав нительно тонких слоях (до 50 см);

толщина намороженного слоя не должна превышать 30 % от естественной толщины льда;

– ГМ могут быть использованы для армирования два раза.

Сравнение показало следующее:

1) Усиление ледового покрова деревянным настилом является наименее эффективным конструктивно-технологическим решением ввиду высокой стоимости и трудоёмкости строительства и обязатель ного извлечения деревянного настила в весенний период. При этом со хранность древесины составляет не более 30 %. Усиление льда дере вянным настилом может быть рекомендовано только при наличии де шёвого лесоматериала. Данный способ усиления льда не экологичен из за проблем с извлечением древесины изо льда в весенний период.

2) В случае, если ледовая переправа должна обеспечить макси мальную несущую способность до 20 т и при достаточно низком грузо обороте (до 100 авт./сут), усиление льда геосинтетическим материалом уступает традиционному способу усиления – намораживанию дополни тельных слоёв льда.

3) Армирование ледяного покрова ГМ даёт значительно большее увеличение несущей способности по сравнению с намораживанием до полнительных слоёв льда. При этом практически исключаются несча стные случаи, связанные с резким проломом льда под автотранспортом.

При этом следует отметить, что стоимость жизни сегодня оценивается несколькими миллионами рублей (в расчётах не учтено). ГМ может по вторно применяться для армирования. Армирование ледяного покрова может увеличить срок службы ледовой переправы до 20 дней. Поэтому армирование ледяного покрова ГМ оказывается наиболее эффективным при необходимости увеличения несущей способности переправы до ве личины более 20 т и при высоком грузообороте (более 100 авт./сут).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ На основании теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованы методы расчёта и строительства ледовых переправ, армированных геосетками и плоскими георешётками.

1. Впервые разработана классификация способов увеличения не сущей способности ледового покрова на переправах.

2. Теоретические исследования напряжённого состояния армиро ванных ледовых образцов-балок при их работе на первой и второй ста диях позволили установить закономерности разрушения армированно го материала под воздействием нагрузки. Установлено, что наклон и зона локализации трещин в армированных образцах хорошо совпадают с аналогичными характеристиками изолиний, полученных в результате расчётов. Это подтверждает адекватность выбранной модели армиро ванного образца и возможность применения этой модели для прогнози рования деформативно-прочностных показателей льда, армированного ГМ, на наиболее опасных участках – при зависании льда над поверхно стью воды.

3. Установлено, что наиболее приемлем для расчёта армированной ледовой плиты метод Матвеева – Немировского, позволяющий опреде лять параметры многослойной плиты, лежащей на упругом основании, и учитывать армирующую прослойку из ГМ. С использованием этого метода установлено, что введение в ледовую плиту геосеток и плоских георешёток увеличивает её несущую способность на 1456 %.

4. Рекомендован упрощённый способ (формула) определения не сущей способности ледового покрова, усиленного геосинтетическими материалами. Наличие ГМ предложено учитывать введением в извест ную формулу коэффициента армирования, численные значения которо го определены в зависимости от свойств геосинтетического материала и его месторасположения в армируемом материале.

5. Достоверность результатов расчётов по предлагаемым матема тическим моделям подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических данных. Различия величин уменьшения прогибов, полученных теоретически и при опытно произ водственной проверке, составляют 520 %.

6. Установлено, что при снижении температуры до –20 °С и высо кой влажности прочность ГМ изменяется мало. При этом происходит снижение общей относительной деформации ГМ: на основе полипро пилена – до 35 %, на основе стекловолокна – до 7 %;

снижение ползу чести и увеличение длительной прочности ГМ на основе полипропиле на – до 46 %. При испытаниях на замораживание-оттаивание макси мальное снижение прочности (до 13 %) наблюдается у ГМ из полипро пилена, а минимальное (4 %) – у стеклосетки.

7. На основании экспериментальных исследований установлено, что ГМ, вмороженные в нижнюю часть ледовых балок, изменяют кине тику разрушения образцов с увеличением прочности не более 15 %.

При этом работа, потребная для разрушения балок, увеличивается в раз. Выявлены два этапа потери несущей способности ледовых образ цов, армированных ГМ. Это позволяет прогнозировать повышенную безопасность ледовых переправ ввиду отсутствия резкого хрупкого разрушения армированного льда.

8. На основании теоретических и экспериментальных исследова ний определены требования к ГМ для армирования льда:

– прочность на растяжение не менее 40 кН/м;

– относительное удлинение при разрыве (при отрицательной тем пературе) не более 8 %;

– снижение прочности при воздействии отрицательных температур не более 10 %;

– отсутствие снижения прочности при длительном водонасыще нии;

– снижение прочности при действии циклов замораживания оттаивания не более 10 %;

– стойкость к ультрафиолетовому излучению не менее 90 %;

– обеспечение гибкости материала на бруске радиусом (5±1) мм при температуре не выше –10 °С.

9. При строительстве опытных участков апробированы четыре конструктивно-технологических решения (метода) армирования ледо вого полотна (два из них являются новыми) с использованием трёх ви дов ГМ. Наиболее технологичными методами являются укладка арми рующего материала на поверхность льда с последующим наморажива нием дополнительных слоёв льда и усиление льда способом «подныри вания» армирующего материала. Предложенные технологии могут быть применимы для многослойного армирования льда.

10. Получены опытные данные об эффективности усиления ледо вого покрова геосинтетическими армирующими материалами. Уста новлено, что армирование верхней части ледового покрова ГМ снижает трещинообразование и повышает несущую способность льда до 30 %.

Армирование нижней части ледового покрова увеличивает несущую способность ледовой плиты до 70 %. Эффективность армирования воз растает с увеличением массы транспортных средств, проходящих по ледовой переправе.

11. Установлено, что геосетки и георешётки экологически безопас ны, они могут извлекаться изо льда в весенний период, храниться на тёмном складе и повторно применяться для армирования ледового по крова.

12. Технико-экономическая оценка показала, что армирование ле дового покрова ГМ даёт большее увеличение несущей способности по сравнению с намораживанием дополнительных слоёв льда. При этом практически исключаются несчастные случаи, связанные с резким про ломом льда под автотранспортом. Армирование ледового покрова мо жет увеличить срок службы ледовой переправы до 20 дней. Поэтому армирование ледового покрова ГМ оказывается наиболее эффективным при необходимости увеличения несущей способности переправы до ве личины более 20 т и при высоком грузообороте (более 100 авт./сут).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Некоторые предпосылки для выбора материалов для эффективного армиро вания ледовых переправ /О.В. Якименко //Развитие дорожно-транспортного ком плекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользо вания: материалы III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 21 – 22 мая 2008 г. /СибАДИ. – Омск, 2008. – Кн.1.

– С. 119 – 124.

2. Якименко О.В. Лабораторные испытания ледяных балок, армированных геосинтетическими материалами / О.В. Якименко, В.В. Сиротюк // Вестник СибА ДИ / СибАДИ. – 2008. – Вып. 3(9). – С. 45 – 48 (Вклад соискателя 50 %).

3. Сиротюк В.В Строительство и испытание опытного участка ледовой пере правы, армированной геосинтетическими материалами / В.В. Сиротюк, О.В. Яки менко, Е.Ю. Крашенинин, А.Н. Щербо //Вестник ТГАСУ. – 2008. – Вып. 4. – С. – 165 (Входит в перечень изданий, рекомендованных ВАК, вклад соискателя 40 %).

4. Сиротюк В.В. Развитие новых технологий использования геосинтетики в дорожном строительстве / В.В. Сиротюк, О.В. Якименко, Г.М. Левашов, А.А. Заха ренко // Дороги России XXI века. – 2008. – № 5. – С. 75 (Вклад соискателя 25 %).

5. Армирование ледовых переправ / О.В. Якименко // Материалы VII Между народной научно-технической конференции, 10 – 12 ноября 2009 / ОмГТУ. – Омск, 2009. – Кн. 2. – С. 465 – 468.

6. Сиротюк В.В. Анализ результатов строительства и испытаний опытных участков ледовой переправы, армированной геосетками и плоскими георешетками / В.В. Сиротюк, О.В. Якименко, А.Н. Щербо // Дороги и мосты / РосДорНИИ. – 2009. – Вып. 2(22). – С. 47 – 60 (Вклад соискателя 40 %).

7. Сиротюк В.В. Применение геосинтетических материалов для армирования автозимников и ледовых переправ / В.В. Сиротюк, О.В. Якименко, А.А Захаренко // Автомобильные дороги. – 2009. – № 11(936). – С. 64 – 67 (Вклад соискателя 40 %).

8. Классификация способов увеличения несущей способности ледовых авто зимников / О.В. Якименко, Е.А. Вагнер // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов / СибАДИ. – Омск, 2010. – С. 237 – 241 (Вклад со искателя 90 %).

9. Технико-экономическое обоснование строительства ледовых переправ, ар мированных геосинтетическими материалами / О.В. Якименко // Развитие дорож но-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рацио нального природопользования: материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 19 – 21 мая 2010 г. / Си бАДИ. – Омск, 2010. – Кн. 1. – С. 34 – 37.

10. Якименко О.В. Моделирование напряжённого состояния армированных ледовых образцов-балок / О.В. Якименко, С.А. Матвеев // Вестник СибАДИ. – 2011. –Вып. 3 (21). – С. 39 –45 (Входит в перечень изданий, рекомендованных ВАК, вклад соискателя 70 %).

11. Малофеев А.Г. Несущая способность ледовых переправ / А.Г. Малофеев О.В. Якименко // Вестник СибАДИ. – 2009. – Вып. 1(11). – С. 32 – 36 (Вклад соис кателя 50 %).

12. Пат. 2379409 РФ: МПК7 E01D15/14: Способ создания ледовой переправы /В.В. Сиротюк, О.В. Якименко, А.А. Захаренко;

СибАДИ. – № 2008130212/03;

за явл. 21.07.2008;

опубл. 20.01.2010. – Бюл. №2 (Вклад соискателя 40 %).

13. Полез. модель 93820 РФ: МПК7 E01D15/14: Ледовая переправа / В.В. Си ротюк, О.В. Якименко;

СибАДИ. – № 2008130266/22;

заявл. 21.07.2008;

опубл.

10.05.2010. – Бюл. №13 (Вклад соискателя 40 %).

Подписано к печати 18.11. Формат 60х90 1/16. Бумага писчая.

Оперативный способ печати.

Усл. п. л. 1,5;

Уч.-изд. 1,1.

Тираж 120. Заказ №292.