1831

Энергетический вариант теории ползуче¬ сти позволяет определять долговечность де¬ талей с учетом истории нагружения, учиты¬ вающей любые изменения температурносилового диапазона, и совпадает с теорией длительной прочности.

В 1997 г. была разработана методика рас­ чета напряженно-деформированного состоя­

ния асфальтобетонных покрытий дорог как вязкоупругой среды на основе энергетическо­ го варианта теории ползучести [3]. В отчете по НИР № Гр 01980000148 отмечалось, что ос­ новным препятствием к практическому приме­ нению этой методики является отсутствие экспериментальных данных по определению параметров ползучести с учетом вида нагружения, климатических и гидрологических ус­ ловий эксплуатации.

Выполненные Г.М. Левашовым экспери­ ментальные исследования изгиба асфальто­ бетонного бруса показали идентичность про-

В ходе испытания на растягиваемом во­ локне бруса возникали трещины (рис.7), кото­ рые уменьшали площадь рабочего сечения бруса, где возрастали напряжения.

Для того, чтобы построить ряд кривых по­ вреждаемости асфальтобетона необходимо каждое испытание проводить при одном и том же эквивалентном напряжении а э .

Методика трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния с учетом разносопротивляемости в зависимости от вида деформации, действующих нагрузок и температур во времени строится следующим образом.

1. За меру интенсивности процесса ползуче¬ сти принимается величина удельной мощно¬ сти рассеяния, то есть разупрочнения в еди¬ ницу времени:

2. За меру повреждаемости материала принима¬ ется величина удельной работы рассеяния

О

3. Уравнение состояния, связывающее про¬ цессы ползучести и разрушения по выбран¬ ным выше мерам, принимается в виде:

а) для материалов с начальным упрочнением

б) для неупрочняющихся материалов

где A* - энергия разрушения данного мате¬ риала, значения параметров В, n, m и a на¬ ходят из экспериментов; аэ - эквивалентное напряжение;

Константы a и b определяются из эксперимен­ тальных данных; % - угол вида напряженного состояния: при кручении % = О, при растяжении

к при сжатии

6

Предполагается справедливым закон те¬ чения вплоть до разрушения в виде

Помножив на s kl и, применив теорему Эйле¬ ра об однородных функциях, получим

долговечности или времени до разрушения вытекает из уравнений (4) и (5):

(a + 1)(m + 1)B on

В общем случае, когда режимы нагружения переменны, можно эту зависимость предста¬ вить в следующем виде:

где k число режимов нагружения и соответст¬ венно число работ разрушения: A*=A1+A2+...+Ak.

Данная методика прошла апробацию для процессов ползучести материалов ЖС6У и АК4-Т и, как показали экспериментальные исследова¬ ния, выполненные Г.М. Левашовым, может быть использована для асфальтобетона. Для этого необходимо продолжение экспериментальных исследований по специальной программе при разных температурах, разных нагрузках и влаж¬ ности на упругом основании максимально учиты¬ вающих условия реальной эксплуатации авто¬ мобильных дорог для качественного определе¬ ния параметров ползучести с целью прогнозиро¬ вания долговечности асфальтобетонных покры¬ тий автомобильных дорог.

Отсюда

Тогда геометрическая связь между тензором скоростей деформаций ползучести и тензо¬ ром напряжений принимает вид

Bo пЛд o

Библиографический список

1. Холмянский И.А. Исследование ползучести жаропрочных сплавов и расчет долговечности дисков турбин / Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 2002. №3.

С.39-42.

2.Соснин О.В.Энергетический вариант теории ползучести / О. В. Соснин, Б. В. Горев, А.Ф. Никитенко

//ИГД СО АН СССР, Новосибирск,1986 i 96 с.

3.Холмянский И.А. Методика расчета напряженнодеформированного состояния асфальтобетонных покрытий дорог как вязкоупругой среды на основе энергетического варианта теории ползучести / Отчет по НИР № ГР01980000148, Инв.№ 03200100703, Омск,1997 i 10 с.

The definition of asphalt - concrete highways durability

I. A. Kholmyansky

The results of the experimental research of as­ phalt - concrete squared beam deformation up to destruction are given hire. The is explained that the use of energetic kind of creep theory gives the pos­ sibility to define the durability of asphalt - concrete structures with due regard for temperature influ¬ ence, different values of alternative loads, different resistibility of material depending upon the deforma-

УДК 625.855.2

tion kinds and other conditions of loading on the base of summing the corresponding deformation works. It is necessary to continue the experimental works of maximum considering the conditions of real maintenance for the definition of creep parame¬ ters to calculate the durability.

Холмянский Игорь Антонович - доктор техн. наук, профессор каф. «Проектирование дорог» Си­ бирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследо­ ваний - вопросы качества в дорожном строитель­ стве. Имеет 106 опубликованных работ.

на две важнейшие характеристики теплового обмена:

-температурное поле;

-мощность вечномерзлого грунта.

Рис. 1. Земляное сооружение: 1 - грунтовая на­ сыпь; 2 - слой водонасышенного водоудерживающего материала (грунта, диода); 3 - поверхность многолетнемерзлого грунтового основания; А - положение высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты до возведения земляного полот¬ на; Б - положение высокотемпературной (неустой¬ чивой) вечной мерзлоты после начала эксплуата¬ ции сооружения

При изменении установившегося процесса теплообмена на глубине нулевых амплитуд начнут формироваться новые значения тем¬ пературы. В зависимости от конструктивнотехнологического исполнения теплового дио¬ да, его архитектуры и структуры, может иметь место плавное и скачкообразное изменение этой температуры во времени.

Но в обоих случаях температурное поле вечномерзлого грунта определяется при крае¬ вых условиях, которые в общем виде можно записать в виде

Однако решение задачи при совместном учете изменения температурного поля и мощности вечномерзлого грунта весьма за¬ труднительно в силу нелинейности условия Стефана.

Анализ работ по решению аналогичных задач показал, что в известных условиях мож¬ но рассматривать независимо друг от друга [2] изменение температурного поля вечномерзлого грунта и динамику подвижной грани¬ цы фазовых переходов (при x = % ). Прини¬ мая эту предпосылку, рассмотрим случай скачкообразного изменения температуры во времени после устройства теплового диода.

Краевые условия (1) запишем в виде

где T1 и T2 - соответственно значения преж¬ ней и новой температуры на поверхности вечномерзлого грунта; H2 - мощность толщи,

которая определяется из условия стационар¬ ного состояния при новой температуре

При скачкообразном изменении темпера¬ туры на границе x = 0 температурное поле при реализации краевых условий (3) опреде¬ ляется следующим выражением [3]:

где T, x, t - соответственно температура, ко­ ордината, время; % (t) - координата нижней

подвижной поверхности вечномерзлых грун¬ тов; f и ф - некоторые задаваемые функции.

Мощность вечномерзлого грунта опреде¬ ляется посредством известного условия Сте¬ фана

Находим величину теплового потока через единичную площадь при x = H2 , то есть

d T

dx x=H

(6)

ный. Для оценки величины и продолжительно­ сти действия нестационарного теплового пото­ ка определим значения второго слагаемого через 5, 10 и 20 лет при следующих исходных данных: а = 2,510 3 м2/час; Н2 = 50 м.

Через 5 лет значение второго слагаемого будет равно 0,0986; через 10 лет - 0,016; че­ рез 20 лет - 0,0014. Иначе говоря, через 5 лет значением нестационарного члена, меньшем 0,1, можно пренебречь. Это означает, что температурное поле массива вечномерзлых грунтов после устройства теплового диода достигает нового стационарного состояния и это происходит довольно быстро. Определим теперь изменение мощности вечномерзлого грунта с учетом действия теплового диода как динамику движения нижней границы вечномерзлых грунтов. В случае скачкообразного изменения температуры во времени (а, имен­ но, этот случай рассматривается) условие Стефана (2) на границе фазовых переходов можно записать в виде

вечномерзлых грунтов.

Применяя численные методы по формуле

(9) можно определить динамику движения нижней границы массива вечномерзлых грун¬ тов, то есть получить зависимость

которая задается таблично, графически (рис. 2), либо аппроксимируется аналитическим выражением. Формулу (9) можно применять для определения времени промерзания - от-

таивания теплового диода, полагая равным значению его толщины.

Выводы

1. Влияние теплового диода на массив вечномерзлых грунтов выражается в изменении установившегося процесса теплообмена рас¬ сматриваемых грунтов с атмосферой, что при¬ водит к нестационарности температурного поля.

2. В сравнительно непродолжительный период времени формируется новое стацио¬ нарное состояние.

3.Реализация условия Стефана в форме

(8)позволяет проследить динамику измене¬ ния мощности вечномерзлых грунтов.

Рис. 2. Динамика движения нижней грани­

цы вечномерзлых грунтов X = X (t)

Библиографический список

1. Бедрин, Е.А. Заявка на изобретение «Земляное сооружение на многолетнемерзлых грунтах и способ его возведения с укреп¬ лением основания в районах распростране¬ ния вечной мерзлоты, от 09.06.2010, рег. № 2010123570/(033557) / Е.А. Бедрин, В.Н. Лонский, А.М. Завьялов, В.П. Попов.

2.Редкозубов, Д.В. Геотермический метод исследования толщ мерзлых пород / Д. В. Редкозубов. - М.: Наука, 1966. - 327 с.

3.Фельдман, Г.М. Методы расчета темпе¬ ратурного режима мерзлых грунтов / Г.М. Фельдман. - М.: Наука, 1973. - 254 с.

Effect of heat diode on underlying permafrost soils power thickness

A.M. Zavjalov, M.A. Zavjalov, E.A. Bedrin

The one-dimensional unsteady temperature field of permafrost, formed under the influence of the thermal diode. Proposed a mathematical tool for predicting changes in the power of the array of permafrost

Завьялов Александр Михайлович - д-р техн. наук, проф., академик РАЕН, проректор по науч­ ной работе Сибирской государственной автомо­ бильно-дорожной академии. Основное направле­ ние научных исследований - динамика рабочих

кого стекла и сернокислого алюминия. В сухом состоянии добавка Щ является тонкодисперсным порошком. Водный раствор добавки Щ имеет рН среды 8,0 - 8,5. Химический состав добавки Щ,

мас. %: SiO2 63,5 - 64,3; AI2O3 23,5 - 24,1;

0,8 - 1,4; Fe2 03 0,2 - 0,4; оксиды редкоземельных металлов 6,0 - 8,0.

На физико-механические свойства органоминерального материала (ОММ) оказывают влияние количественное содержание каждого

компонента в смеси, продолжительность и условия твердения материала. При подборе составов ОМС был применен метод матема­ тического планирования эксперимента. Со­ гласно плану эксперимента в качестве неза¬ висимых факторов были приняты расходы компонентов органоминеральных смесей (табл. 1). Содержание природного песка в смесях изменялось от 50 до 90 мас. %.

Органоминеральные смеси готовили без подогрева минеральных материалов и воды, гудрон нагревали до 80 - 100 °С. Смеси полу¬ чали при раздельной обработке песка гудро¬ ном с добавкой КП, а белитового шлама с до¬ бавкой Щ - водой с добавкой СС при после¬ дующем совместном перемешивании всех компонентов. Из смесей готовили образцыцилиндры при уплотняющем давлении 40 МПа. Испытания образцов органоминерального материала (ОММ) проводили по ГОСТ 12801 после 7 и 28 суток влажного хранения с определением следующих показателей физи¬ ко-механических свойств ОММ: пределов прочности при сжатии при температурах 0

(R0), 20 (R20) и 50 °С (R50 ); средней плотности (pm ), водонасыщения (W); коэффициентов во­

достойкости после кратковременного (Кв ) и длительного (15 суток) водонасыщения (Кд в ).

В результате обработки эксперимента определены осредненные значения показате¬ лей физико-механических свойств на каждом уровне изменения фактора. В качестве при¬ мера на рис. 1 представлены графические зависимости изменения физико-механических свойств ОММ от содержания в смеси добавок КП и Щ. Для параметров оптимизации - R0,

R20, R50, W, Кв, Кдв - получены уравнения рег¬ рессии, позволившие оценить влияние каждо¬ го рецептурного фактора на показатели проч¬ ности, водонасыщения и коэффициенты во¬ достойкости ОММ, рассчитать прогнозируе¬ мые значения показателей свойств ОММ в исследованной области изменения перемен¬ ных факторов и определить оптимальные до¬ зировки компонентов ОМС.

Установлен следующий оптимальный со¬ став ОМС (% от массы минеральных мате¬ риалов): песок природный 50; белитовый шлам 50; гудрон нефтяной 10,0; коксовая пыль 5,0 (от массы гудрона); добавка Щ 3,0; добавка СС 1,0; вода 17,0 (от массы шлама). Органоминеральный материал оптимального состава в возрасте 28 суток по показателям прочности и водостойкости соответствует требованиям ГОСТ 30491 к ОМС, приготов¬ ленным на жидких органических вяжущих со¬ вместно с минеральными вяжущими (табл. 2).

При твердении в ОММ формируется два типа микроструктурных связей - коагуляционные и конденсационно-кристиллизационные. Коагуляционные связи между частицами ми¬ неральных материалов осуществляются че¬ рез адсорбционно-сольватные структуриро¬ ванные пленки органического вяжущего. Кон-

денсационные связи в ОММ появляются при уплотнении ОМС. Под действием уплотняю­ щей нагрузки предварительно гидратированные частицы шлама сближаются и образуют первичную конденсационную структуру твер­ дения. Наличие в шламе резерва негидратированного p-C2S приводит со временем к по¬ вышению прочности структуры за счет роста объема новообразований, увеличения числа конденсационных контактов и перехода части их в кристаллизационные [5, 6].

Для установления степени влияния коагуляционных и конденсационно-кристаллиза- ционных связей на прочность ОММ были опре¬ делены прочности этих микроструктурных свя¬ зей. Прочность коагуляционных связей опреде¬ ляли на образцах, изготовленных из смеси пес¬ ка, шлама ПАЗ и гудрона. Прочность конденса- ционно-кристаллизационных связей определяли после экстрагирования гудрона из образцов, изготовленных из ОМС оптимального состава с добавками.

о

К

к

&

о

&

а -

к

к

к

CP

с

к

о

о

о

CP

с