книги / 807

тальных данных различных исследователей. Недостаточно полно изучены также последствия воздействия природного климата на бетоны с пластифицирующими добавками, в частности высокоэффективного пластификатора ПЯ-01.

Рядом исследователей установлено, что действие параметров климата приводит к сбросу структурных напряжений, уменьшению трещиностойкости и темпов роста прочности во времени бетонов с добавками, что не исключает снижение долговечности бетонов, эксплуатирующихся в условиях воздействия климата, при использовании добавок. Следовательно, дальнейшее изучение последствий воздействия природной климатической среды на бетоны с добавкой ПЯ-01 и разработка метода оценки и прогнозирования состояния бетонов, испытывающих негативное воздействие климата, представляет значительный научный и практический интерес.

Автором были рассмотрены предпосылки теории оценки и прогнозирования состояния цементных бетонов, обосновано применение прогностической терминологии, уточнен объект прогнозирования. Доказана целесообразность рассмотрения объекта одновременно с «прогнозным фоном», что предопределило использование принципа системности, требующего взаимосвязанности и соподчиненности прогнозов объекта прогнозирования, прогнозного фона и их элементов. Бетон в конструкции или сооружении представлен в виде интерактивной системы, которая характеризуется метастабильными состояниями, сменяющими друг друга случайным образом. Эти состояния могут самопроизвольно существенно удаляться от равновесного состояния.

Возможна также эволюция состояний бетона под внешним воздействием на фоне внутренних процессов, вопреки понятию «энтропия» от хаоса к порядку и усложнению структур, вплоть до самопроизвольного «самозалечивания дефектов» и протекания структурообразующих процессов. В процессе своей эволюции они самопроизвольно переходят из-за износа, перегрузок, экстремальных воздействий климата и т.д. от субкритического к критическому и суперкритическому состоянию, стремясь к разрушению. Доказано, что прогнозирование долговечности бетона в конструкции или сооружении возможно, но при этом необходима разработка достаточно информативного метода определения состояний системы.

Произведен выбор параметров для описания состояния бетона. Связь между изменениями отдельных характеристик бетона под воздействием климата установлена в виде матрицы парных коэффициен-

91

тов корреляции, использование которых позволило выявить аналитические связи между характеристиками. Анализ корреляционных зависимостей методом корреляционных плеяд и более точным методом Лумельского позволил произвести группировку параметров. Компонентным анализом экспериментальных данных доказано, что различного вида бетоны могут рассматриваться с единых позиций, при этом следует учитывать начальное состояние бетона. При изучении свойств бетона в условиях воздействия климата бетоны изделий могут заменяться бетонами образцов. На основе оценки информативности подсистем признаков доказано, что состояния бетонов достаточно полно описываются (информативность от 79,6 до 86,7 %) относительными

изменениями значений трех характеристик Rb, Rcrc0 , W.

Установлено, что состояния бетона в различных возрастах можно сопоставлять с помощью угла между векторами, описывающими состояния в n-мерном пространстве признаков. Закономерность накопления повреждений принята в виде

где ti – время воздействия климата на бетон к моменту определения повреждения i (текущего состояния); T – полное возможное время воздействия климата для достижения бетоном состояния, принятого за предельное.

Поврежденность бетона под воздействием климата представлена изменением угла между векторами, описывающими состояния изучаемого бетона и бетона в предельном состоянии. Прогнозирование долговечности бетона можно осуществлять по формуле

π ti

T = π2− ϕ , 2

где φ – угол между векторами, описывающими состояния бетона. Точность прогнозирования становится вполне приемлемой, при

определении текущего состояния после воздействия климата в течение одного года и более.

Показано также изменение абсолютной величины определяемой долговечности в зависимости от времени воздействия климата на изучаемый бетон к моменту определения его текущего состояния (рис. 3).

92

Рис. 3. К определению области применимости метода прогнозирования состояния бетона

Эта величина становится стабильной при воздействии климатической среды на изучаемый бетон, к моменту определения его текущего состояния, 12 и более месяцев, т.е. когда изучаемый бетон испытал все сезонные изменения климата.

Апробирование разработанного метода на собственных экспериментальных данных и данных, заимствованных из работ М.М. Селимова (результаты изучения свойств бетонов дорожных цементобетонных покрытий за 11 лет) [3] и У.Ф. Фазылова (результаты изучения свойств бетонов, испытывающих воздействие среды, имитирующей климатическую), доказало его приемлемость [4].

При рассмотрении изменения характеристик бетона под воздействием климата как случайного процесса выявлено, что автокорреляционная функция

1 n−τ

R(τ) = n − τ ∑i=1 ∆xi ∆xi+ τ ,

где ∆xi = xi − x, i = 1, 2, …, n; n – объем выборки; τ = t1 – t2; ti – момент времени реализации или сечения случайного процесса; x – среднеарифметическое выборки xi, стремится к нулю, что свидетельствует о эргодичности процесса и подтверждает сделанный ранее вывод о возможности использования в целях прогноза изменения под воздействием климата в течение года таких характеристик, как Rb, Rcrc0 , W.

93

Реализация математической модели изменения состояния бетона под воздействием климата позволяет получать зависимости долговечности от изменения отдельных параметров состояния за 1 год (рис. 4) или в виде определения области допускаемых изменений параметров состояния за 1 год, обеспечивающих проектную долговечность бетона.

Рис. 4. Зависимость долговечности бетона (Т) от изменений параметров его состояния (xi)

Выводы:

1. При оценке и прогнозировании состояния цементных бетонов, испытывающих воздействие природных условий климатической среды, можно ограничиться рассмотрением совокупности наиболее информативных параметров Rb, Rcrc0 , W.

2.Предложен практический метод прогнозирования состояния бетона, претерпевающего негативное воздействие природных условий климата. Определены область и условия применимости метода прогнозирования.

3.Предлагаемая методика прогнозирования состояния бетона требует детализации климатической среды, но предполагает ее повторяемость в пределах циклов (за цикл принят 1 год).

94

Список литературы

1. Несветаев Г.В. Бетоны: учеб. пособие. – Ростов н/Д: Феникс,

2011. – 381 с.

2. Янковский Л.В. Долговечность цементных бетонов в свете перехода на европейские стандарты // Строительные материалы. – 2012. –

№1. – С. 16–18.

3. Динамика изменения свойств бетона монолитных конструкций в процессе службы / М.М. Селимов, В.Я. Липский, Р. Краснознаменская, А. Алимов // Строительство и архитектура Узбекистана. –

1983. – № 6. – С. 31–33.

4. Влияние комплексных климатических воздействий на прочность и деформации бетона / У.Ф. Фазылов, P.P. Юсупов, Т. Мукумов, А.Р. Шрамов // Исследование строительных материалов и конструкций: сб. тр. / Ташк. политехн. ин-т, 1986. – С. 80–86.

Получено 28.02.2012

95

УДК 624.131

О.А. Богомолова, А.В. Ечевский, Б.С. Бабаханов, Р.С. Нестеров, А.В. Соловьев

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ОТКОСОВ КАК СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

Рассматриваются примеры, свидетельствующие о существенном взаимном влиянии откосов, являющихся составными частями грунтовых сооружений. Показано, что расчет устойчивости откосов на основе анализа напряженно-деформированного состояния грунтового массива позволяет дать количественную оценку этого влияния и избежать возможных аварийных ситуаций или не обоснованных затрат при проектировании истроительстве грунтовых сооружений вследствие назначения неадекватныхзначений коэффициентовзапасаустойчивости.

Ключевые слова: взаимное влияние откосов, анализ напряженнодеформированного состояния, коэффициенты запаса устойчивости.

Как показывает инженерная практика, на устойчивость грунтовых откосов, являющихся составной частью грунтовых сооружений, существенное влияние оказывают факторы, которые не могут быть учтены при расчете методами, рекомендованными СНиП [1, 2], например методами, основанными на гипотезе о круглоцилиндрической форме линии скольжения. К этим факторам можно отнести наличие вблизи исследуемого объекта внешней нагрузки ивзаимное расположение откосов.

Из анализа картин изолиний напряжений и перемещений, возникающих от собственного веса грунта и внешней нагрузки, расположенной на правом откосе симметричной треугольной выемки, видно, что эта нагрузка оказывает влияние не только на характер распределения напряжений в нагруженном откосе, но и в его визави (рис. 1).

Аналогичная ситуация наблюдается и в случае одиночного изолированного откоса (рис. 2).

Учесть трансформацию полей напряжений и перемещений при расчете устойчивости таких откосов можно только на основе анализа их напряженно-деформированного состояния методами [3–5].

96

Рис. 1. Изолинии безразмерных (в долях γН) вертикальных σz (а, е); горизонтальных σx (б, ж); касательных τzx (в, з) напряжений и безразмерных (в долях Н) вертикальных v (г, и) и горизонтальных u (д, к) перемещений в однородном грунтовом массиве, составляющем ненагруженную инагруженную траншею

97

Рис. 2. Изолинии безразмерных (в долях γН) вертикальных σz (а, е); горизонтальных σx (б, ж); касательных τzx (в, з) напряжений и безразмерных (в долях Н) вертикальных v (г, и) и горизонтальных u (д, к) перемещений в грунтовом массиве, составляющем ненагруженный и нагруженный изолированный однородный откос

Пример № 1. Пусть в однородном грунтовом массиве с характеристиками: объемный вес грунта γ = 2,25 т/м3; угол внутреннего трения φ = 15о; удельное сцепление С = 0,08 МПа; коэффициент бокового дав-

98

ления грунта ξо = 0,75; модуль общей деформации Ео = 50 МПа, сооружена выемка трапециевидного сечения глубиной H = 45 м и углом заложения β = 45о.

Расчетная схема, приведенная на рис. 3,а, состоит из 14 300 элементов, сопряженных в 7332 узлах, ширина матрицы жесткости системы 126.

Правый откос выемки нагружен равномерно распределенной нагрузкой интенсивности q = 0,3 γ H = 30,375 т/м2, геометрические пара-

метры которой d = 0,1 Н = 4,5 м и b = 0,5 Н = 22,5 м (см. рис. 3).

Рис. 3. Фрагменты расчетной схемы МКЭ для анализа влияния нагрузки на устойчивость откосов выемки

При помощи компьютерной программы [6], разработанной в ВолгГАСУ, проведен расчет устойчивости откосов выемки, который показал, что в случае отсутствия внешней нагрузки (см. рис. 3, а) численные значения коэффициентов запаса устойчивости обоих откосов одинаковы: Kлев = Kправ = 1,55.

Если правый откос нагружен, то значения его коэффициентов запаса устойчивости, вычисленные двумя методами, основанными на анализе НДС грунтового массива, составят: K[5] = 1,09 и K[3] = 1,02, а соответствующие значения коэффициентов запаса для левого ненагруженного откоса выемки будут K[5] = 1,76 и K[3] = 1,51. Как видно, последние значения коэффициентов запаса устойчивости отличаются на 13 и 2,7 %. Разница, вроде бы, незначительная, но она увеличивается по мере увеличения q.

99

Пример № 2. Рассмотрим устойчивость бортов траншеи треугольного сечения, глубина которой H = 5 м, а угол заложения откоса β = 55о. Траншея устроена в однородном грунтовом массиве со следующими физико-механическими свойствами: объемный вес грунта γ = 2 т/м3; угол внутреннего трения φ = 16о; удельное сцепление С = 0,016 МПа, коэффициент бокового давления грунта ξо = 0,75, модуль общей деформации Ео = 50 МПа. Расчетная схема МКЭ, фрагменты которой приведены на рис. 3, состоит из 20200 конечных элементов, сопряженных в 10331 узле. Ширина матрицы жесткости системы равна 126 (рис. 4).

Рис. 4. Расчетные схемы МКЭ для анализа устойчивости откосов траншеи, правая берма которой нагружена весом отработанного грунта

100