Работоспособность полимерных геомембран как противофильтрационных элементов грунтовых плотин

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Зверев Андрей Олегович
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4

Глава 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………………………… 12

1.1 Обзор применения полимерных материалов в гидротехническом
строительстве в начальный период ……………………………………………………………….. 12

1.2 Классификация современных геосинтетических изделий, применяемых в
гидротехническом строительстве ………………………………………………………………….. 21

1.3 Анализ современного мирового опыта применения геосинтетических
изделий для гидроизоляции плотин ………………………………………………………………. 32

1.4 Об обосновании конструкций грунтовых плотин с
противофильтрационными элементами из геосинтетиков ……………………………… 37

1.4.1 О прочности и деформируемости геомембран ……………………………………. 38

1.4.2 О сопротивлении геомембран проколам …………………………………………….. 43

1.4.3 Об исследованиях работы геомембран при сдвиге ……………………………… 44

1.4.4 О долговечности геомембран …………………………………………………………….. 48

1.4.5 Инциденты на сооружениях с ПФЭ из геомембран …………………………….. 52

1.5 Выводы по главе 1…………………………………………………………………………………… 54

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-
МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕОСИНТЕТИКОВ ………………………….. 56

2.1 Цели экспериментальных исследований ………………………………………………….. 56

2.2 Методика проведения испытаний ……………………………………………………………. 57

2.3 Исследование прочности и деформируемости геомембран в условиях
одноосного растяжения ………………………………………………………………………………… 60

2.3 Исследование прочности и деформируемости геомембран в условиях
двухосного растяжения ………………………………………………………………………………… 69

2.4 Исследование работы геомембран при сдвиге по бетону и щебню …………… 79
2.5 Исследование повреждения геомембран из поливинилхлорида при прижиме
к неровной поверхности ……………………………………………………………………………….. 85

2.6 Выводы по главе 2…………………………………………………………………………………… 95

Глава 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С
ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ИЗ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙ ………………………………………………………………………………………………………. 98

3.1 Задачи исследования ……………………………………………………………………………….. 98

3.2 Методика численного моделирования напряжённо-деформированного
состояния грунтовых плотин ………………………………………………………………………. 100

3.3 Исследование напряжённо-деформированного состояния перемычки с
зигзагообразной геосинтетической диафрагмой ………………………………………….. 104

3.4 Исследование напряжённо-деформированного состояния плотины c
геосинтетическим экраном………………………………………………………………………….. 113

3.5 Выводы к главе 3. ………………………………………………………………………………. 117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 119

Список литературы ……………………………………………………………………………………….. 121

Во введении обосновывается актуальность выполненной работы, указаны сведения о степени разработанности исследуемой темы, раскрывается научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы, приводятся сведения об апробации результатов работы.
Глава 1 представляет собой обзор применения полимерных материалов в качестве противофильтрационных элементов грунтовых плотин, а также анализ перспектив расширения сферы их применения в гидротехническом строительстве, а также проведен анализ трудов исследователей Глебова В.Д., Белышева А.И., Елшина И.М., Миронова А.А., Кричевского И.Е, Рельтова Б.Ф., Лупачева О.Ю., Чумагова А.П., Алавердянова Р.А, Лысенко В.А., Х. Батеро., Сольской В.В., Панасенко Г.А., Сольского С.В., Косиченко Ю.М., Баева О.А., Радченко В.Г., и др.
Изделия из полимерных материалов уже более полувека применяются в качестве ПФЭ грунтовых плотин и за прошедшее время накоплен большой опыт их применения, а сами они значительно усовершенствованы. В России геосинтетические изделия применяются для гидроизоляции каналов, накопителей жидких промышленных отходов, временных сооружениях и т.п., но в более ответственных сооружениях предпочтение отдается традиционным материалам и методам строительства. До сих пор проектирование грунтовых плотин с ПФЭ из полимеров основано на эмпирическом подходе, условия их работы в теле грунтовой плотины не изучены. Данные факторы предопределили задачи диссертационной работы по экспериментальным исследованиям физико-механических свойств геомембран и численному моделированию их НДС в теле грунтовых плотин.
Глава 2 посвящена экспериментальным исследованиям физико- механических характеристик геосинтетических изделий для дальнейшего их использования при численном моделировании НДС плотин. Были проведены несколько типов экспериментов:
 Изучение поведения геомембран разных типов в условиях одноосного и двухосного растяжения.
 Определение механических характеристик контакта с бетоном и грунтом геомембран из полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлорида (ПВХ).
 Испытания на прокол геомембран при высоком давлении. Эксперименты на прокол, двухосное растяжение и сдвиг проводились на
экспериментальной установке, созданной автором.
Испытания геомембран при одноосном растяжении проводились для
определения физико-механических свойств нескольких типов геосинтетиков, а также для их сравнения. Испытывались образцы четырех типов геомембран: полиэтилен низкого давления (ПЭНД) толщиной t=1мм, ПВХ (t=3,75мм), армированный хлорсульфированный полиэтилен (гипалон, t=1,83 мм), этилен- пропиленовый диеновый мономер (ЭПДМ, t=0,9 мм).
Испытания проводились в соответствии методикой ГОСТ Р 53226-2008 «Полотна нетканые. Методы определения прочности» для образцов шириной
8
50 мм и рабочей длиной 100 мм. Эксперименты проводились на универсальной испытательной машине Zwick Z250, оснащённой программным обеспечением для автоматической записи результатов.
В результате экспериментов определялись следующие величины:
• максимальное растягивающее усилие max, достигнутое в ходе эксперимента;
• относительное удлинение max, соответствующее maх;
• секущий модуль линейной деформации Ec, соответствующий max и max.
Деформирование геомембран рассмотренных типов принципиально отличается качественно и количественно. Геомембраны из ПВХ и ЭПДМ проявляют свойства эластомеров (возвращались в первоначальное состояние после прекращения нагрузки), а у геомембран из ПЭНД после удлинения на 10% (рис.1,а) проявлялись деформации текучести. Наибольшую нагрузку смог выдержать гипалон (рис.1,б), а ЭПДМ проявил высокую деформируемость (рис.1,г).
а) б)
в) г)
Рисунок 1 – Результаты испытаний образцов геомембран на одноосное
растяжение
а – ПЭНД; б – гипалон; в – ПВХ; г – ЭПДМ
Из-за сложностей измерения изменения площади поперечного сечения образцов, сравнение геосинтетиков проводилось по условным значениям Ec и max, соответствующим первоначальной форме образцов, а также по реальным значениям, определённым приближённо.
9

Прочность ПВХ и ПЭ при одноосном растяжении составляет 21,5 и 14,1 МПа. Самую высокую прочность max на растяжение имеет гипалон – более 100 МПа, он примерно в 5 раз прочнее ПЭ и ПВХ. Прочность ЭПДМ составила около 10 МПа, что примерно в 23 раза меньше, чем у ПВХ и ПЭ, что согласуется с данными других авторов.
Секущий модуль деформации ПВХ-геомембраны составляет 11,9 МПа, что примерно в 20 раз меньше по сравнению с ПЭ и в 220 раз по сравнению с гипалоном. ЭПДМ имеет очень низкий секущий модуль линейно деформации – около 1 МПа.
Проведённое исследование подтвердило оценки прочности и деформируемости ПВХ и ПЭ. по соотношению «прочность-деформируемость» полиэтилен проигрывает ПВХ. У ПЭ max/Ec составляет 0,10, а у ПВХ 2,4. Это объясняет его лидирующие позиции в применении. Тем не менее, ЭПДМ имеет ещё более лучшую характеристику по соотношению max/Ec, оно в 20 раз больше, чем у ПВХ.
Т.к. испытания на одноосное растяжение не всегда отражают реальные условия работы геомембран в грунтовой среде, были выполнены испытания геомембран при двухосном растяжении.
Испытания на двухосное растяжение проводились с помощью созданной автором экспериментальной установки (рисунок 2).
а) б) Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки
а – разрез по оси продольной оси; б – разрез по поперечной оси; 1 – геомембрана; 2 – камера давления; 3 – патрубок от насоса, создающего давление в камере; 4 – манометр; 5 – подвижный лоток для заполнения материалом; 6 – домкрат; 7 – датчик давления; 8 – опорная рама; 9 – перекладина для крепления камеры давления к опорной раме; 10 – столешница; 11 – связи крепления столешницы и опорной рамы.
Испытания проводились для образцов, наиболее распространенных в России геомембран:
ПЭНД (HDPE) толщиной 2 мм (производитель – Техполимер);
ПЭВД (LDPE) толщиной 2 мм (производитель – Техполимер);
ПВХ (PVC) толщиной 2,5 мм (производитель Carpi Tech).
Рабочий диаметр образцов геомембраны составлял 42 см.
Испытания проводились по схеме «Burst Test», когда геомембрана под
действием приложенного к поверхности давления вместо плоской формы приобретает объёмную (полусферическую или параболлоидную) форму. В ходе испытания фиксировались величина давления (по манометру) и длина дуги выгиба геомембраны (рулеткой).
В ходе испытания проявляется нелинейный характер деформирования. Существует некоторое критическое удлинение, после достижения которого начинается интенсивное удлинение образцов, которое сопровождается заметным падением давления (рисунок 3,а).
а) изменение длины дуги б) изменение прогиба
Рисунок 3 – Результаты испытаний геомембраны на двухосное растяжение при восприятии нормального давления p
У образцов геомембраны из ПЭНД (HDPE) критическое удлинение составило 15%, а образец геомембраны из ПВХ в процессе испытания удлинился почти в 2,5 раза.
Замеры дуги выгиба геомембраны позволили определить осреднённое значение относительной линейной деформации удлинения ε образцов. По длине дуги L вычислялись параметры геометрической формы геомебраны при деформациях: прогиб f и условный радиус кривизны геомембраны R. В расчете был учтено, что форма геомембран из ПВХ соответствует полусферической, для геомембран из ПЭ – параболоиду.
Из-за сложной схемой статической работы растягивающие напряжения в геомембране определялись приближенно, для сечения по круговой опоре. Напряжения определялись из условия равновесия вертикальных проекций сил
11

опорных реакций и нормального давления p. Для сферической формы удлинения напряжения вычислялись по формуле (1), а для параболоидной формы – по формуле (2).
= ∗ (1) 2∗
= ∗ (2) 4∗ ∗sin⁡( )
Здесь p – давление, t – толщина мембраны, R – радиус опорного кольца,  – напряжение в мембране на опорном кольце,  – угол наклона мембраны к горизонту на опорном кольце.
Было выявлено, что у геомембран из ПЭ довольно быстро достигается предел текучести (5÷10%) (рисунок 4), а у геомембран из ПВХ напряжения растут до момента разрыва. Максимальное значение напряжений, соответствующее пределу текучести или прочности на растяжение, составило: для ПВХ – 6,7 МПа, из ПЭВД – 15 МПа, из ПЭНД – 16 МПа (рисунок 4). Эти значения корелируются с результатами, полученными зарубежными исследователями.
Рисунок 4 – Результаты расчёта деформации и напряжений в геомембране при восприятии нормального давления
Сравнение показывает, что в условиях двухосного растяжения прочность существенно меньше. Прочность образцов ПВХ уменьшилась с 28 МПа до 7МПа (в 4 раза), а ПЭ – с 22МПа до 15МПа (в 1,5 раза). При этом геомембраны из ПЭ лучше работают на двухосное растяжение, чем у ПВХ- геомембраны.
Вычисление секущих модулей линейной деформации E показало, что по мере роста деформаций значение модуля секущей деформации снижается (рисунок5). Максимальное значение E проявляется на начальном этапе нагружения. Для ПЭНД (HDPE) оно составляет E850МПа, для ПЭВД (LLDPE) – 425 МПа (рисунок 5,а). Это хорошо согласуется с результатами испытаний Rigo J-M., Cazzuffi D.A.
12

а) геомембраны из полиэтилена б) геомембрана из ПВХ Рисунок 5 – Изменение модуля деформации геомембран в испытаниях на двухосное растяжение
Для ПВХ начальный модуль линейной деформации составил 24 МПа (рисунок 5,б), что меньше, чем по результатам исследований опубликованных в бюллетене No135 ICOLD (150 МПа).
На момент достижения предела текучести секущий модуль линейной деформации для ПЭ геомембран составил около 150 МПа, для ПВХ − 15 МПа. Это показывает основное преимущество пластифицированного ПВХ над полиэтиленами – ПВХ на порядок более деформируемый, чем ПЭ, хотя по прочности уступает им лишь в 2 раза.
Исследование работы геомембран при сдвиге проводилось с целью определить касательную жёсткость и параметры сдвиговой прочности. Испытания проводились для геомембран и геокомпозитов на основе ПВХ, ПЭВД и ПЭНД относительно поверхности бетона и щебня. Они проводились при довольно высоких значениях нормальных напряжений (как правило 0,6МПа), что выгодно отличает испытания автора от аналогичных исследований зарубежных авторов.
Результаты представлены в виде зависимостей между предельными касательными напряжениями τ и нормальными напряжениями σ (рисунок 6).
а) геомембраны из полиэтилена б) геомембраны из ПВХ
13

Рисунок 6 – Экспериментальная зависимость между предельным значением касательных напряжений и нормальным давлением на контакте с геомембранами
По результатам анализа результатов испытаний было выявлено, что для геомембран из ПЭ характерен низкий коэффициент трения – от 0,1 до 0,3 по щебню и около 0,5 по бетону. Низкое трение объясняется эффектом проскальзывания из-за высокой жёсткости геомембран из ПЭ. Зависимость между  и  близка к линейной (рисунок 6,а).
Для ПВХ-мембран экспериментально был получен нелинейный характер зависимости между нормальными и предельными касательными напряжениями (рисунок 6,б). Сдвиг ПВХ-геомембран мало зависит от характера поверхности (щебень или бетон), что связано с плотным прилеганием гибкой ПВХ- геомембраны к неровностям.
При испытаниях на сдвиг геомембран из ПЭ фиксировалось повреждение в виде незначительного отверстия (диаметром до 1 мм). При трении по щебню повреждение происходило при давлении  свыше 0,5 МПа. При наличии между геомембраной и поверхностью геотекстиля повреждение происходило при более высоких давлениях (на 0,2 МПа). При сдвиге по бетонной поверхности повреждение образцов геомембран из ПЭ наблюдалось при давлениях  0,81,2 МПа.
Геомембраны из ПВХ не повреждались при испытаниях на сдвиг по бетонной поверхности даже при максимальном давлении =1,4 МПа. Однако при сдвиге по щебню геомембраны из ПВХ оказались менее надежными, чем геомембраны из ПЭ. В процессе удлинения наблюдалось повреждение геомебраны о частицы щебня, геомембраны разрывались. Максимальное давление, воспринимаемое ПВХ-геомембраной при сдвиге, по щебню достигало 0,8 МПа.
Расчёты по приближённой расчётной схеме показали, что при сдвиге в геомембране из-за трения возникают значительные растягивающие напряжения, сопоставимые с прочностью геосинтетиков на растяжение.
Испытания геомембран из ПВХ на прокол проводились для условий прижима высоким давлением к неровной поверхности. Давление достигало 2.1 МПа. Поверхность бетонной плиты имела выпирающие частицы щебня высотой до 1,5см. Было исследовано влияние наличия геотекстиля на возможность повреждения геомембран.
Испытания проводились для двух случаев: геомембрана толщиной 2,5 мм и геокомпозит (геомембрана толщиной 2,5 мм + геотекстиль). По результатам испытаний прорыв геомембраны без геотекстиля произошёл при давлении 0,8 МПа, а прорыв геокомпозита – при давлении 1,6 и 2.1 МПа. Таким образом, геотекстиль способствует сопротивляемости геомембраны проколам и, соответственно повышению надежности противофильтрационной конструкции.
В главе 3 представлены результаты численного моделирования НДС грунтовых плотин с ПФЭ из полимерных материалов, проведённые с целью определения условий их работы. Была поставлена задача по оценке прочности
геомембран в теле грунтовой плотины в зависимости от расположения и конструкции ПФЭ. При исследованиях использовались физико-механические характеристики, полученные экспериментально.
Расчёты проводились по апробированной вычислительной программе NDS_N (НИУ МГСУ, Саинов М.П.) в плоской постановке. В главе 3 описаны основные положения предлагаемой методики численного моделирования НДС грунтовых сооружений с ПФЭ из геосинтетиков. При расчётах НДС учитывалась последовательности возведения сооружения и наполнения водохранилища.
Для моделирования тонкой конструкции использованы стержневые конечные элементы. Чтобы обеспечить точность численного моделирования НДС, используются конечные элементы высокого порядка, с кубической аппроксимацией перемещений внутри элемента. Для моделирования контактного взаимодействия геомембраны с грунтами используются контактные конечные элементы. Сдвиговая прочность описывается моделью Кулона.
Расчёты НДС проводились для двух типов ПФЭ из геомембраны – зигзагообразная диафрагма и закрытый экран. Рассматривались два реальных сооружения: перемычка плотины Gibe III (Эфиопия) и плотина Bovilla (Албания).
Исследования НДС геосинетической диафрагмы проводились на примере перемычки Gibe III высотой 46 м. Её диафрагма зигзагообразной формы, изготовлена из ПВХ-геомембраны толщиной 3,5 мм. С каждой стороны диафрагма защищена от прокола слоями геотекстиля и песка (толщиной 50 см).
Конечно-элементная модель состоит из 637 конечных элементов высокого порядка и имеет 5208 степеней свободы.
Исследовалось влияние на НДС диафрагмы и перемычки следующих факторов:
• модуль линейной деформации E полимерной геомембраны;
• угол внутреннего трения контакта «диафрагма–грунт»;
• касательная жёсткость контакта «диафрагма–грунт».
Рассматривались 2 варианта типа геомембраны — из ПВХ и ПЭ. Для
геомембраны из ПВХ значение модуля деформации принималось равным E = 20 МПа, а для геомембраны из ПЭ E = 800 МПа. План расчётов показан в таблице 1.
По результатам численного моделирования максимальная строительная осадка перемычки составляет около 17 см, а смещение в сторону нижнего бьефа достигает 8,6 см.
Было выявлено, что сдвиговая прочность низового контакта не нарушена, в то время как на верховом наблюдается проскальзывание грунта по диафрагме (рисунок 7). Проскальзывание характерно для всех расчётных вариантов.
Модуль линейной деформации геомембраны, МПа
Угол внутреннего трения контакта геокомпозита с грунтом, град
Касательная жёсткость трения контакта, МПа/м
Максимальное растягивающее напряжение в геомембране, МПа
Аа 800 28 Ва 800 15 Са 800 7,5 Аb 800 28 Bb 800 15 Cb 800 7,5 Aa 20 28 Ba 20 15 Ca 20 7,5 Aa 20 28 Ba 20 15 Ca 20 7,5 Aa 200 28 Ba 200 15 Ca 200 7,5 Aa 70 28 Ba 70 15 Ca 70 7,5
Таблица 1 Варианты расчета
200 25,1 200 31,3 200 37,2
5 22,7 5 30,4 5 29,7
200 1,4 200 2,8 200 3,4
5 2,6 5 3,4 5 3,5
200 10,1 200 15,8 200 20,7 200 4,3 200 8,1 200 9,4
16
Код варианта

а) No1Aa б) No1Ba в) No1Ca г) No4Aa д) No4Ba е) No4Ca
Рисунок 7 – Состояние верхового контакта геомембраны с грунтом (по вариантам)
Розовым цветом выделены участки испытывающие проскальзывание, красным цветом – отрыв. Зелёным показан прочный контакт.
Во всех расчётных вариантах было зафиксировано наличие растягивающих напряжений в диафрагме (рисунок 8).
Наибольшие растягивающие напряжения возникают в анкерах геомембраны. Т.к. анкера находятся горизонтально, сдвиговая прочность их контакта с грунтом не нарушается, за счёт трения на них передаются растягивающие усилия. В верховых анкерах растягивающие напряжения существенно выше, чем в низовых.
а) No1Aa б) No1Ba в) No1Ca г) No4Aa д) No4Ba е) No4Ca
Рисунок 8 – Качественная картина распределения напряжений в геомембране (по вариантам). Красным цветом выделены участки, испытывающие растяжение.
По результатам исследования получена зависимость растягивающих напряжений в геомембране от модуля деформации геосинтетического материала – чем больше модуль, тем выше растягивающие напряжения в геомембране (рисунок 9).
Рисунок 9 – Изменение максимальных значений растягивающих напряжений в геомембране в зависимости от модуля линейной деформации геосинтетического материала и угла внутреннего трения её контакта с грунтом.
Если диафрагма выполнена из ПЭ, растягивающие напряжения превышают прочность ПЭ на растяжение (около 20 МПа). Если диафрагма выполнена из ПВХ, растягивающие напряжения много меньше прочности ПВХ на растяжение (около 8 МПа).
Исходя из того, что прочность геосинтетических материалов (ПЭ, ПВХ, полипропилена) находится в диапазоне от 10 до 20МПа, его модуль деформации должен составлять не более 80÷200 МПа. Отсюда следует, что ПЭ не удовлетворяет данным критериям.
Исследования НДС геосинетического экрана проводились на примере каменно-набросной плотины Bovilla в Албании высотой 81,6 м. Экран плотины выполнен из ПВХ, уложен на грунтоцементную подготовку и накрыт бетонными плитами. Геокомпозит жёстко закреплен к бетонному сооружению, с образованием компенсационной петли для свободы деформаций.
Рассматривалось три варианта конструкции плотины:
1) Железобетонный экран, уложенный на подготовку, стабилизированную цементным раствором. Это конструкция, которая планировалась изначально, но не была реализована.
2) Геокомпозит уложенный на подготовку, стабилизированную цементным раствором, и сверху пригруженный бетонными плитами (реализованная на практике конструкция).
3) Геокомпозит уложен на песчано-гравийную подготовку.
Общее количество конечных элементов в модели сооружения составило 830 конечных элементов для вариантов 2 и 3 и 730 для варианта 1.
Для бетонного покрытия модуль деформации принимался равным 29 ГПа. Для подготовки из щебня, стабилизированного цементом, модуль деформации принимался равным 5000 МПа, коэффициент Пуасона – 0,22. Для геокомпозита модуль деформации был принят 1000 МПа, что примерно соответствует ПЭ низкого давления (высокой прочности).
Расчёты проводились для достаточно высокой деформируемости каменной наброски, осреднённый модуль каменной наброски составил около 60 МПа.
В результате расчётов было выявлено, что вариант 1 с бетонным экраном является ненадёжным в силу неблагоприятной работы контакта грунтовой и бетонной частей плотины.
Напротив, напряжённое состояние геосинтетического экрана является благоприятным во всех вариантах (2 и 3), он не испытывает растягивающих напряжений. Единственным уязвимым участком, где возможно нарушение его целостности является узел сопряжения геокомпозита с бетонным сооружением. Это происходит из-за сдвиговых смещений экрана относительно бетонного сооружения, которые составляют около 2 см.
Рисунок 20 – Перемещения напорной грани плотины (прогибы в см). Зеленым цветом обозначены перемещения для варианта 2, красным для
варианта 1, фиолетовым –для варианта 3.
Было установлено, что данные смещения не вызывают нарушения геокомпозита за счет наличия компенсационной петли в сопряжении с бетонным сооружением. Продольные растягивающие напряжения не превышают 0,5 МПа, что намного меньше прочности ПЭ на растяжение.
Однако конструкция компенсационной петли, которая предполагает создание углубления в подэкрановой подготовке для создания компенсационной петли, может негативно сказаться на работу всей конструкции в варианте 2. Из-за деформаций изгиба по результатам расчётов возможно нарушение целостности. бетонного покрытия. Острые углы могут повредить геосинтетический экран. С этой точки зрения более предпочтительной является конструкция варианта 3.
Таким образом, геосинтетический экран является работоспособной конструкцией. Наиболее опасным узлом является место заделки геокомпозита в бетонное сооружение. Расчеты показали, что конструкция компенсационной петли в месте заделки геокомпозита в бетонное сооружения, позволяет избежать больших растягивающих усилий при значительных перемещениях данного узла.
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации:
1. Современные геомембраны обладают большей надёжностью и долговечностью по сравнению с ранее применявшимися полимерными плёнками, что позволяет расширить область их применения в качестве противофильтрационных устройств грунтовых плотин. Однако физико- механические свойства геомембран изучены недостаточно для того, чтобы достоверно прогнозировать условия работы и прочность выполненных из них противофильтрационных устройств.
2. Условия работы открытых (поверхностных) и закрытых (внутренних) противофильтрационных устройств из геомембран существенно различаются.
Открытые противофильтрационные экраны при наличии компенсационных петель в местах закрепления работают в более благоприятных условиях, они не испытывают растягивающих усилий такой величины, которая угрожает их разрывом. Однако они подвергаются неблагоприятным температурным и иным воздействиям, снижающим долговечность геомембраны. При выборе типа геомембраны для открытых противофильтрационных устройств наибольшее значение имеют не их прочностные и деформирмативные свойства, а долговечность.
3. Одним из важных факторов, определяющих напряжённо- деформированное состояние геомембраны внутри грунтового сооружения, является её жёсткость. Более надёжными являются геомембраны, которые имеют наибольшее соотношение прочности на растяжение и модуля деформации. С этой точки зрения из всех применяющихся ныне геомембран для работы в грунтовых плотинах наиболее приспособлены геомембраны из поливинилхлорида. За счёт высокой эластичности и прочности эти геомембраны более надёжны в условиях высоких деформаций, присущих грунтовым сооружениям. Однако следует иметь в виду, что разрушение геомембран из поливинилхлорида даже при малых повреждениях имеет не локальный, а масштабный характер. Поэтому в будущем возможен переход на геомембраны из других синтетических материалов.
4. В формировании напряжённо-деформированного состояния противофильтрационных устройств из геомембран большую роль играет трение на контакте с телом плотины. Через трение на геомембрану могут передаваться значительные растягивающие усилия. По этой причине наиболее опасными участками геомембраны, на которых возможен её разрыв, являются горизонтальные.
5. Для достоверной оценки прочности геомембран необходим комплекс испытаний для различных видов действующих нагрузок. Для современных геомембран характерна не столько опасность прокола, сколько опасность повреждения при сдвиге. При оценке прочности геомембран необходимо учитывать, что при двухосном растяжении прочность меньше, чем при одноосном. Влияние вида напряжённого состояния в наибольшей степени проявляется в геомембранах из поливинилхлорида.
6. Характер восприятия сдвиговых усилий зависит от жёсткости материала геомембраны. «Мягкие» геомембраны плотнее прижимаются к поверхности, что уменьшает возможность проскальзывания, но увеличивает возможность их повреждения.
7. В защите противофильтрационных устройств из геомембран от повреждения большую роль играет укладка геотекстиля на контакте геомембраны с телом сооружения. Она повышает сопротивление геомембран проколу и к повреждениям, но снижает сдвиговую прочность контакта.
Перспективы дальнейшей разработки темы состоят в создании математических моделей, описывающих прочность и деформирование полимерных геомембран, в исследованиях работоспособности многослойных
геосинтетических противофильтрационных конструкций в грунтовом массиве при действии больших давлений.

Актуальность темы исследования обусловлена расширением применения
рулонных геосинтетических изделий в гидротехническом строительстве. Для
борьбы с фильтрацией активно применяются геомембраны – изделия из рулонных
пластмасс. Благодаря тому, что современные полимерные геомембраны обладают
высокой прочностью, водонепроницаемостью и достаточно долговечны, они
применяются как при восстановлении герметичности плотин, так и для
устройства основных противофильтрационных элементов (ПФЭ) грунтовых
плотин и дамб. Максимальная высота грунтовых плотин с ПФЭ на основе
геомембраны превысила 90 м (плотина Runcu в Румынии). Геомембрана
применяется для гидроизоляции плотины первой очереди Рогунской ГЭС.
Однако, как правило, ПФЭ из геосинтетиков применяются на сравнительно
невысоких сооружениях – бóльшая же часть таких сооружений не превышают в
высоту 40 м и являются временными. Недоверие к геосинтетическим ПФЭ
вызвано недостаточной изученностью физико-механических свойств геомембран,
а также неопределённостью условий работы таких ПФЭ в теле грунтовых плотин.
Дискуссионным является вопрос о долговечности геомембран.
В этой связи работоспособность полимерных геомембран как
конструктивных элементов плотин актуальной темой современных исследований.
Актуальным является изучение эластичности и прочности геомембран, а также
характеристик трения геомембран с грунтом. Такие исследования проводятся в
основном только зарубежом и зачастую их результаты недоступны для анализа.
Актуальным и нерешённым является также вопрос о выборе наиболее
эффективного геосинтетика для устройства ПФЭ гидротехнических сооружений.
Исследования напряжённо-деформированного состояния полимерных
геомембран в конструкции грунтового сооружения за очень редким исключением
отсутствуют.
Цели и задачи исследований.
Цель работы заключается в научном обосновании возможности применения
современных полимерных геомембран в качестве ПФЭ высоких грунтовых
плотин.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
– анализ зарубежного и отечественного опыта применения полимерных
геомембран в качестве противофильтрационных элементов гидротехнических
сооружений, а также анализ результатов экспериментальных исследований
физико-механических свойств геосинтетиков;
– проведение экспериментальных исследований деформирования и
прочности полимерных геомембран в условиях растяжения и сдвига, а также
исследований по определению механических характеристик контакта
геомембраны с бетоном и грунтом при сдвиге;
– исследование условий работы противофильтрационных элементов,
выполненных из полимерных геомембран в теле грунтовых плотин, посредством
численного моделирования их напряжённо-деформированного состояния;
– составление рекомендаций по применению полимерных геомембран в
качестве противофильтрационных элементов конструкций грунтовых плотин, а
также по выбору их типа.
Степень разработанности проблемы.
Несмотря на то, что геосинтетические изделия уже более полувека
применяются для создания противофильтрационных устройств гидротехнических
сооружений, условия их работы и работоспособность изучены недостаточно. Это
объясняется тем, что рулонные полимерные геосинтетические изделия в виде
геомембран стали применяться относительно недавно – около 30 лет назад, а до
этого применялись тонкие полимерные плёнки. По сравнению с плёнками
современные геомембраны не только защищены от прокола слоями геотекстиля и
большой толщиной, но и имеют другие деформативные и прочностные
характеристики.
Недостаточно изученными являются механические свойства геомембран
разных типов. В 1980-1990х годах за рубежом были проведены
экспериментальные исследования механических свойств полимерных геомембран
разных видов (полиэтилен, поливинилхлорид) – прочности на растяжение,
эластичности, стойкости к проколам. Они подтвердили возможность применения
геомембран в конструкциях высоких плотин, а также выявили преимущества
геомембран из поливинилхлорида по сравнению с полиэтиленовыми. Однако
вопрос о выборе типа геомембраны не является окончательно решённым, т.к. не
гарантирована долговечность геомембран из поливинилхлорида, а на рынке
появляются новые, более перспективные типы геосинтетиков. Свойства этих
геосинтетиков изучены слабо.
В последнее время китайскими исследователями были выполнены
эксперименты по изучению поведения полимерных геомембран в условиях
сложного напряжённого состояния. Тем не менее, результаты этих исследований
не являются исчерпывающими, мало сведений имеется о сопротивлении сдвигу
геомембран по контакту с различными поверхностями, а также об их работе в
условиях одновременного растяжения и сдвига.
Важным является то, что условия работы полимерных геомембран в теле
реальных сооружений могут значительно отличаться от условий проведения
экспериментов. Практически не изученным является напряжённо-
деформированное состояние (далее – НДС) ПФЭ из полимерных геомембран в
теле грунтовых плотин. Данные натурных измерений напряжений и деформаций в
сооружениях отсутствуют, а результаты численного моделирования единичны.
Недостаточная изученность механических свойств полимерных геомембран,
а также отсутствие информации об условиях их работы в сооружениях
препятствует применению конструкций грунтовых плотин с
противофильтрационными устройствами из геомембран, т.к. не даёт уверенности
в их надёжности.
Методология и методы исследований.
Определение механических свойств полимерных геомембран, а также
контакта геомембран с другими конструкциями выполнялось с помощью
экспериментальных исследований. Исследования в условиях одноосного
растяжения проводились по стандартной методике с помощью стандартного
оборудования. Исследования при двухосном растяжении и сдвиге проводились с
помощью специализированной установки. Данная установка была разработана и
создана автором специально для решения задач диссертационной работы.
Исследования условий работы геосинтетических изделий в теле грунтовых
плотин проводились путём численного моделирования методом конечных
элементов с помощью специальной вычислительной программы, которая
разработана в НИУ МГСУ специально для исследований напряжённо-
деформированного состояния грунтовых плотин.
Степень достоверности полученных результатов исследований не
вызывает сомнения т.к.:
– использованы поверенные средства измерений при проведении
экспериментальных испытаний геосинтетических изделий;
– методика численного моделирования напряжённо-деформированного
состояния грунтовых плотин построена на использовании законов механики
грунтов, а также теоретически обоснованного и многократно апробированного
метода конечных элементов;
– при моделировании методом конечных элементов напряжённо-
деформированного состояния грунтовых плотин с противофильтрационным
элементом из геомембраны использованы результаты экспериментальных
исследований физико-механических свойств геомембран;
– для численного моделирования напряжённо-деформированного
состояния грунтовых плотин с противофильтрационным элементом из
геомембраны использована протестированная вычислительная программа;
– результаты экспериментальных испытаний деформируемости и
прочности геомембран при растяжении согласуются с результатами,
полученными другими авторами.
Научная новизна работы состоит в:
– разработке методики экспериментальных испытаний геомембран на
растяжение при сдвиге;
– составлении методики численного моделирования напряжённо-
деформированного состояния грунтовых плотин с противофильтрационными
элементами из геомембран;
– экспериментальном выявлении эффекта возникновения в геомембране
высоких растягивающих напряжений от трения по грунту (или бетону), которые
создают опасность потери прочности геосинтетика на растяжение;
– определении зависимости величин растягивающих напряжений в
геомембране от её местоположения в теле грунтовой плотины.
Теоретическая значимость работы заключается в:
– получении новых знаний об условиях работы геосинтетических
противофильтрационных устройств в теле грунтовых плотин;
– модернизации методики испытаний полимерных геомембран для учёта
совместного действия нормальных и сдвигающих сил;
– определении особенностей работы полимерных геомембран в условиях
сдвиговых деформаций;
– предложенных принципах численного моделирования напряжённо-
деформированного состояния грунтовых плотин с противофильтрационными
элементами в виде полимерных геомембран;
– изучении условий работы и особенностей напряжённо-деформированного
состояния полимерных геомембран в теле грунтовых плотин, установлении
важной роли трения в формировании напряжённо-деформированного состояния
геомембран;
Практическая значимость работы состоит в:
– разработке схемы испытаний полимерных геомембран при совместном
действии нормальных и сдвигающих сил;
– создании экспериментальной установки, которая позволяет исследовать
работу образцов полимерных геомембран при наличии сдвиговых перемещений
по опорной поверхности;
– определении показателей прочности и деформируемости геомембран из
поливинилхлорида и полиэтилена в условиях простого и сложного напряжённого
состояния;
– определении показателей прочности и деформируемости геомембран из
гипалона и этиленпропиленового диенового мономера в условиях одноосного
растяжения;
– определении значения коэффициента трения геомембран из
поливинилхлорида, полиэтилена по поверхности бетона и щебня;
– выявлении наиболее опасных участков противофильтрационных
полимерных геомембран грунтовых плотин;
– результатах численного моделирования напряжённо-деформированного
состояния противофильтрационных полимерных геомембран в теле грунтовых
плотин;
– рекомендациях по выбору типа полимерных геомембран (по материалу)
для применения в качестве противофильтрационных элементов грунтовых
плотин;
– предложениях по совершенствованию конструкций грунтовых плотин с
противофильтрационными элементами из полимерных геомембран.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты определения влияния напряженного состояния на прочность
при растяжении геомембран из полиэтилена и поливинилхлорида;
– результаты определения сдвиговых характеристик контакта полимерных
геомембран с бетоном и щебнем;
– результаты анализа напряжённо-деформированного состояния
полимерных геомембран в теле грунтовых плотин;
– рекомендации по выбору типа полимерных геомембран и
конструктивных решений геосинтетических противофильтрационных элементов в
теле грунтовых плотин.
Личный вклад автора заключается в:
– создании экспериментальной установки, позволяющей исследовать
работу крупноразмерных образцов полимерных геомембран при одновременном
действии нормальных и сдвиговых сил;
– выполнении и анализе результатов экспериментальных исследований
сдвиговой прочности контакта полимерных геомембран с поверхностью бетона и
щебня, а также прочности геомембран на растяжение при действии продольных
сил, при совместном действии нормального давления и сдвиговых усилий;
– в анализе условий работы полимерных геомембран в теле грунтовых
плотин по результатам численного моделирования напряжённо-
деформированного состояния таких плотин.
Апробация работы проводилась путём публикации статей в научных
журналах и в виде докладов на научных конференциях. Были сделаны доклады на
18ой (2015 г.) и 20ой (2017 г.) Международных межвузовских научно-
практических конференциях студентов, магистрантов, аспирантов и молодых
ученых «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», доклад на 5-
ой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых,
специалистов, аспирантов и студентов «Гидроэлектростанции в XXI веке»
(2018 г), на IV Всероссийском научно-практическом семинаре «Современные
проблемы гидравлики и гидротехнического строительства» (2021 г.).
Публикации. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 11
научных публикациях, из которых 6 работ опубликованы в журналах,
включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны
быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание
ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук
(Перечень рецензируемых научных изданий), и 1 опубликована в издании,
индексируемом международными реферативными базами Scopus, Web of Science.

Итоги исследования:

1. Современные геомембраны обладают большей надёжностью и
долговечностью по сравнению с ранее применявшимися полимерными плёнками,
что позволяет расширить область их применения в качестве
противофильтрационных устройств грунтовых плотин. Однако физико-
механические свойства геомембран изучены недостаточно для того, чтобы
достоверно прогнозировать условия работы и прочность выполненных из них
противофильтрационных устройств.
2. Условия работы открытых (поверхностных) и закрытых (внутренних)
противофильтрационных устройств из геомембран существенно различаются.
Открытые противофильтрационные экраны при наличии компенсационных
петель в местах закрепления работают в более благоприятных условиях, они не
испытывают растягивающих усилий такой величины, которая угрожает их
разрывом. Однако они подвергаются неблагоприятным температурным и иным
воздействиям, снижающим долговечность геомембраны. При выборе типа
геомембраны для открытых противофильтрационных устройств наибольшее
значение имеют не их прочностные и деформирмативные свойства, а
долговечность.
3. Одним из важных факторов, определяющих напряжённо-
деформированное состояние геомембраны внутри грунтового сооружения,
является её жёсткость. Более надёжными являются геомембраны, которые имеют
наибольшее соотношение прочности на растяжение и модуля деформации. С этой
точки зрения из всех применяющихся ныне геомембран для работы в грунтовых
плотинах наиболее приспособлены геомембраны из поливинилхлорида. За счёт
высокой эластичности и прочности эти геомембраны более надёжны в условиях
высоких деформаций, присущих грунтовым сооружениям. Однако следует иметь
в виду, что разрушение геомембран из поливинилхлорида даже при малых
повреждениях имеет не локальный, а масштабный характер. Поэтому в будущем
возможен переход на геомембраны из других синтетических материалов.
4. В формировании напряжённо-деформированного состояния
противофильтрационных устройств из геомембран большую роль играет трение
на контакте с телом плотины. Через трение на геомембрану могут передаваться
значительные растягивающие усилия. По этой причине наиболее опасными
участками геомембраны, на которых возможен её разрыв, являются
горизонтальные.
5. Для достоверной оценки прочности геомембран необходим комплекс
испытаний для различных видов действующих нагрузок. Для современных
геомембран характерна не столько опасность прокола, сколько опасность
повреждения при сдвиге. При оценке прочности геомембран необходимо
учитывать, что при двухосном растяжении прочность меньше, чем при
одноосном. Влияние вида напряжённого состояния в наибольшей степени
проявляется в геомембранах из поливинилхлорида.
6. Характер восприятия сдвиговых усилий зависит от жёсткости материала
геомембраны. «Мягкие» геомембраны плотнее прижимаются к поверхности, что
уменьшает возможность проскальзывания, но увеличивает возможность их
повреждения.
7. В защите противофильтрационных устройств из геомембран от
повреждения большую роль играет укладка геотекстиля на контакте геомембраны
с телом сооружения. Она повышает сопротивление геомембран проколу и к
повреждениям, но снижает сдвиговую прочность контакта.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы состоят в
создании математических моделей, описывающих прочность и деформирование
полимерных геомембран, в исследованиях работоспособности многослойных
геосинтетических противофильтрационных конструкций в грунтовом массиве
при действии больших давлений.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Читать «Работоспособность полимерных геомембран как противофильтрационных элементов грунтовых плотин»

    Публикации автора в научных журналах

    Экспериментальные исследования работы геомембран при сдвиге по бетону и щебню
    А.О. Зверев, М.П. Саинов // Вестник Евразийской науки. – 2– N – С.1-Зверев А.О., Саинов М.П., Лукичев Р.В. Результаты экспериментального исследования полимерных геомембран на двухосное растяжение // Вестник Евразийской науки. – 2– 10 т. – N - С.1
    Исследование противофильтрационных элементов грунтовых плотин из полимерных материалов.
    А.О. Зверев // Гидроэлектростанции в XXI веке: сборник материалов V22Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов. – 2018 г. – С.9

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Шагали Е. УрГЭУ 2007, Экономика, преподаватель
    4.4 (59 отзывов)
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и... Читать все
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и диссертаций, Есть любимые темы - они дешевле обойдутся, ибо в радость)
    #Кандидатские #Магистерские
    76 Выполненных работ
    Екатерина Д.
    4.8 (37 отзывов)
    Более 5 лет помогаю в написании работ от простых учебных заданий и магистерских диссертаций до реальных бизнес-планов и проектов для открытия своего дела. Имею два об... Читать все
    Более 5 лет помогаю в написании работ от простых учебных заданий и магистерских диссертаций до реальных бизнес-планов и проектов для открытия своего дела. Имею два образования: экономист-менеджер и маркетолог. Буду рада помочь и Вам.
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    Татьяна П. МГУ им. Ломоносова 1930, выпускник
    5 (9 отзывов)
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.
    #Кандидатские #Магистерские
    11 Выполненных работ
    Виктор В. Смоленская государственная медицинская академия 1997, Леч...
    4.7 (46 отзывов)
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выв... Читать все
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выводы).Пишу статьи в РИНЦ, ВАК.Оформление патентов от идеи до регистрации.
    #Кандидатские #Магистерские
    100 Выполненных работ
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Шиленок В. КГМУ 2017, Лечебный , выпускник
    5 (20 отзывов)
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертац... Читать все
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертационной работ. Помогу в медицинских науках и прикладных (хим,био,эколог)
    #Кандидатские #Магистерские
    13 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету

    Моделирование движения наносов в районе береговых гидротехнических сооружений
    📅 2021 год
    🏢 ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»