Диссертация (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 4

Были сделаны доклады наконференции «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (НИУМГСУ, 2017 г.), второй научно-технической конференции ОАО «ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева»(2006 г.), наXXI российско-польско-словацком семинаре«Теоретические основы строительства» (САФУ, 2012 г.).Научные результаты достаточно полно изложены в 40 печатных работах, вт.ч. 34 статьи опубликованы в журналах, включенных в перечень рецензируемыхнаучных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научныерезультаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, насоискание ученой степени доктора наук (Перечень рецензируемых научныхизданий),изкоторых9–опубликованывизданиях,индексируемыхмеждународными реферативными базами Scopus и Web of Science.Объём и структура диссертации.

Диссертация включает в себя введение и7 глав. Она оформлена в виде двух томов и включает в себя 540 страницмашинописного текста (без учёта приложений, 316 страниц в томе 1, 224страницы в томе 2), 295 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает всебя 274 источника.20Глава 1.ОПЫТИПЕРСПЕКТИВЫПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХПРИМЕНЕНИЯЭЛЕМЕНТОВНЕГРУНТОВЫХВГРУНТОВЫХПЛОТИНАХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ1.1.Негрунтовыематериалыиизделиядлясозданияпротивофильтрационных элементовДля создания ПФЭ в грунтовых плотинах и нескальных основаниях плотинприменяется широкий спектр негрунтовых строительных материалов. Этокаменные строительные материалы на основе вяжущих, полимерные материалы,дерево и даже сталь [Гидротехнические сооружения, часть 1; Айрапетян].

Однаковозможность их использования определяется не только их водопроницаемостью,нои другими факторами. Среди них–условияработысооружения(температурные условия, солнечная радиация и др.), конструктивные требования(прочность, водостойкость, долговечность и др.), а также технологическиевозможности.

Поэтому материалы, применяемые для противофильтрационныхустройств, отличаются от тех, которые используются в промышленногражданском строительстве. Они могут отличаться структурой, составом, а такжетехнологией приготовления.Первымнегрунтовымматериалом, которыйстал использоватьсявгрунтовых плотинах и грунтовых основаниях, по всей видимости, являетсядерево. Древесина – местный строительный материал, что делает его оченьудобным для применения.

Оно широко применялось в гидротехническомстроительстве в России. Однако дерево обладает рядом отрицательных свойств,таких как подверженность гниению и горению, которые делают его применениенеэффективным в современных условиях [Моисеев]. В настоящее времяпротивофильтрационные устройства из дерева практически не применяются, внашей работе они также рассматриваться не будут.21Все остальные (помимо древесины) негрунтовые гидроизоляционныематериалы являются искусственными.Большое распространение получили искусственные каменные строительныематериалы, получаемые на основе неорганических и органических вяжущих.В качестве неорганического вяжущего обычно используются цементыразличных видов. Соответственно часто материалом ПФЭ служит бетон –материал, полученный из смеси цемента, заполнителя и воды.

В некоторых ПФЭиспользуют не бетон, а железобетон – бетон, армированный стальной арматурой,что позволяет увеличить сопротивление растягивающим напряжениям.Преимуществами бетона является его технологичность и высокая прочностьна сжатие. Однако он плохо работает на растяжение и подвержен хрупкомуразрушению с образованием трещин. Ещё одним недостатком бетона с точкизрения применения в грунтовых плотинах является его высокая жёсткость.

Егодеформируемостьзначительно(надва-трипорядка)отличаетсяотдеформируемости грунта, поэтому в последнее время стали часто применятьсябетоны с добавкой компонентов, которые повышают его деформируемость. Вкачестве таких добавок используется бентонитовая глина или аналогичныеместные глинистые грунты [ICOLD, 1985; Дерюгин].

В результате получаетсяновый материал – глиноцементобетон (англ. clay-cement). В зависимости отсоотношения содержания цемента и глины, можно получить глиноцементобетон,различныйподеформируемостиипрочности.Модульдеформацииглиноцементобетона может составлять менее 100 МПа и превышать 1000 МПа.Этот материал обладает пластичными свойствами, благодаря которым можетобладать способностью к самозалечиванию трещин [Wu, Shi, Dong, Ci,Yiziteluopu].

Глиноцементобетон – менее жёсткий, чем бетон, однако и менеепрочный материал. Чтобы повысить его прочность, предлагают вводить в егосостав распределённую арматуру, фибру [Королёв, Смирнов, Аргал, Радзинский;Рассказов, Радзинский, Саинов. Выбор состава глиноцементобетона…]. Фибраможет быть в виде металлических проволочек или в виде полимерных волокон.22Но свойства бетонов, выполненных с применением цементного вяжущего,определяются не только содержанием в них различных компонентов, но итехнологией изготовления. Обычный бетон в жидком, незатвердевшем видеявляется пластичным материалом, он укладывается блоками, с уплотнениемглубинными или поверхностными вибраторами.С середины XX в. стал внедряться так называемый укатанный бетон (англ.

–roller compacted concrete) [Гидротехнические сооружения, часть 1; Ляпичев;Производство гидротехнических работ, часть 1; ICOLD, 2003]. Он представляетсобой особо жёсткую бетонную смесь с пониженным содержанием цемента,уплотняемуювибрационнымикатками.Такойбетонсодержитбольшееколичество твёрдого заполнителя, что позволяет двигаться по нему строительнойтехнике. Он укладывается слоями и уплотняется как грунт – катками. Впервыетакой бетон был применён в 1975 г.

для ремонта водобойных сооруженийгидроузла Тарбела в Пакистане [Ляпичев].Также с середины XX в. помимо бетона стали использоваться другие видыматериалов на основе цемента, которые можно объединить общим названиемгрунто-цементные смеси. Они представляют собой грунты, закреплённыецементом.Грунтоцемент (англ. soil-cement) впервые был применён в США длякрепления верхового откоса грунтовой плотины [ICOLD, 1986; Грунтоцемент длягрунтовых плотин]. Он включал 7-14% цемента от веса сухого грунта [ICOLD,1986].В XXI в. появились плотины из жёсткой грунтоцементной смеси (цемент,песок, гравий, англ. – CSG), плотины типа «твёрдая насыпь» [Глаговский,Радченко; Fujisawa; Fujisawa, Sasaki; Hokkaido Prefecture.

Toubetsu dam…]. Еёможнотакженазыватьгрунтоцементобетон.Грунтоцементнаясмесьукладывается в плотину уже готовой и уплотняется катками. Она включает неболее 80 кг/м3 цемента, а песок и гравий – в равных долях. Профиль таких плотин– трапецеидальный, как у грунтовых, но с более крутыми откосами (заложениепримерно 0,8).23Общим недостатком укатанного бетона и грунтоцементов являетсяповышенная водопроницаемость. Эти материалы не могут применяться какпротивофильтрационныйконструкцийматериал,негрунтовыхномогутиспользоватьсяпротивофильтрационныхвустройств.составеНапример,верховая грань плотин из CSG покрывается защитным слоем бетона.Применяются иные технологии создания грунтоцементных смесей.

Вчастности, так называемая раздельная технология заключается в том, что цементвносится в уже уложенный слой грунта путём их пролива цементного раствора.Такой материал содержит малое количество цемента и достаточно разнороден посвоим свойствам.В последнее время появились новые технологии создания в грунтахпротивофильтрационных стен (методы перемешивания, струйной цементации)[Бройд; Метод струйной цементации… Development of Dam Engineering…],которые подразумевают, что смешение цемента с грунтом производится прямо наместе, в процессе выполнения стены.

Грунт основания не вынимается, а входит всостав цементно-грунтового материала стены.Ещё один метод создания искусственного материала на основе цемента –методинъекции(цементации).Онзаключаетсявнагнетаниивпорыкрупнозернистого грунта цементного раствора (под давлением 0,5÷6 МПа)[Бобров; Журкина], после твердения которого образуется сцементированныйкамень. Он служит материалом противофильтрационных завес в основании и телегрунтовых плотин.Следует обратить внимание на то, что материал завес и стен, получаемыйметодами инъекции, перемешивания и струйной цементации, непредсказуем посвойствам, т.к. его состав определяется составом исходного грунтового массива.В качестве органического вяжущего для получения строительного камняиспользуютсябитумы.Длясозданияпротивофильтрационныхустройствиспользуют асфальтобетон – смесь битума, минерального заполнителя изаполнителя [Гидротехнические сооружения, часть 1; ICOLD, 1992].

В среднем васфальтобетоне содержание битума колеблется от 5 до 15%, порошкообразного24наполнителя – от 10 до 25%, песка – от 20 до 50%, крупного заполнителя – от 30до 50% [Гольдин, Рассказов]. Асфальтобетон имеет высокую плотность и низкуюводопроницаемость.Преимуществомасфальтобетонаявляетсяспособностьвосприниматьбольшие деформации без образования трещин и способность к самозалечиваниютрещин. К недостаткам асфальтобетона относится зависимость его свойствтемпературы.

При высоких температурах он представляет собой тяжёлуюжидкость, что приводит к его сползанию по откосу [Моисеев]. Приотрицательных температурах асфальтобетон становится жёстким и хрупким. Вклиматических условиях большей части территории нашей страны он не можетиспользоваться для создания наружного противофильтрационного устройства.По технологии создания различают литой и уплотняемый асфальтобетон,при чём возможность применения той или иной технологии определяетсяпроцентным содержанием битума [Гидротехнические сооружения, часть 1].Асфальтобетон является очень пластичным материалом, зависимость междуего деформациями и напряжениями – нелинейна [Гольдин, Рассказов; Ляпичев;Чукин; Шеримбетов]. По своей деформируемости он очень близок к грунтам.

Приработе в теле грунтовой плотины асфальтобетон деформируется совместно сгрунтовыммассивом.Нашиисследованиянеохватываютплотиныспротивофильтрационными устройствами, выполненными из асфальтобетона.Крометого,битумиспользуетсядлясозданияразличныхгидроизоляционных изделий. Уже давно в гидротехнике используются битумныерулонные изделия.

В последнее время стали использоваться битумно-полимерныемембраны. Они представляют собой тонкие (2-6 мм толщиной) плёнки из битума,которые армированы полиэстером или стекловолокном [ICOLD, 1992]. Благодарявысокой пластичности битума битумно-полимерные мембраны растягиваются ихорошо приспосабливаются к деформациям грунтового массива, сохраняя приэтом свою целостность и водонепроницаемость [Меглен, Брель, Гордин].Полимерные материалы (полиэтилен, полиизобутилен, поливинилхлорид,полипропилен) используются для борьбы с фильтрацией также в виде готовых25рулонных изделий [Радченко, Семенков; Лупачев, Телешев; Лысенко, Белышев;Геосинтетические материалы в гидротехническом строительстве].