Краткий обзор на тему изученности темы научно-исследовательской работы

Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

УДК 692.115 УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой СПГ

доктор технических наук, профессор

А.Б. Пономарев

«__» ____________ 2015 г.

Отчет

По научно-исследовательской практике

направление: 270800 – «Строительство»

магистерская программа: 27080052.68 «Подземное и городское строительство»

Тема исследования

ВЛИЯНИЕ ФИБРОАРМИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ГРУНТА, ПОДВЕРГАЕМОГО ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ

Выполнил Колесова Анастасия Сергеевна

(Фамилия, Имя, Отчество)

____________________

(подпись)

Проверил Ассистент

(должность)

Гришина Алла Сергеевна

(Фамилия, Имя, Отчество)

____________ _____________

(оценка) (подпись)

Пермь 2015 г.

Список исполнителей

Руководитель темы, _________________А.С. Гришина

ассистент (подпись, дата)

Исполнитель темы _________________А.С. Колесова

(подпись, дата)

Реферат

Отчет 40 с., 2 ч., 15 источников

СТРОИТЕЛЬСТВО, ГРУНТ, ФИБРА, ФИБРОАРМИРОВАНИЕ, ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ, ВИБРАЦИЯ, АРМОГРУНТОВЫЙ МАССИВ

Объектом исследования является грунтовый и армогрунтовый массивы, подвергаемые динамическим нагружениям.

Цель работы – выявление влияния фиброармирования на свойства грунта, подвергаемого динамическим нагрузкам; измерение физико-механических характеристик грунта в процессе статического и вибрационного нагружения; определение области применения данного способа закрепления грунтов.

Для проведения экспериментальной части научно-исследовательской работы выбраны лабораторные методы проведения испытаний грунтов.

По результатам лабораторных исследований составлены таблицы и графики, которые позволяют оценить влияние фиброармирования на свойства грунтов.

.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………..7

1. Краткий обзор на тему изученности темы научно-исследовательской работы...8

2. Патентный поиск …………………………………………………………………..12

3. Методика проведения лабораторных исследований…………………………….17

3.1. Определение гранулометрического состава песчаного грунта………...17

3.2. Определение плотности частиц грунта…………………………………..19

3.3. Стандартное уплотнение образца грунта………………………………..21

3.3.1. Образец без фибрового армирования…………………………...23

3.3.2. Содержание фибры в грунте 0,5%................................................26

3.3.3. Содержание фибры в грунте 1,0%................................................29

3.3.4. Содержание фибры в грунте 1,5%................................................32

4. Область применения………………………………………………………………36

Заключение…………………………………………………………………………...37

Публикации по теме диссертационной работы……………………………………38

Список использованных источников……………………………………………….39

Нормативные ссылки

В настоящем отчете о НИРс использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 1.5-2001 Государственная система стандартизации РФ. Общие требования к построению, изложению, оформлению и содержанию стандартов.

ГОСТ 7.32-2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе, структура и правила оформления.

ГОСТ 2.105-95 Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам.

ГОСТ 6.38-90* Унифицированные системы документации. Система организационно-распорядительной документации. Требования к оформлению документов.

ГОСТ 7.1-84 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления.

ГОСТ 7.9-95 (ИСО 214-76) Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Реферат и аннотация. Общие требования.

ГОСТ 7.12-93 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая запись. Сокращение слов на русском языке. Общие требования и правила.

ГОСТ 7.54-88 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Представление численных данных о свойствах веществ и материалов в научно-технических документах. Общие требования.

ГОСТ 8.417-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.

ГОСТ 13.1.002-80 Репрография. Микрография. Документы для съемки. Общие требования и нормы.

ГОСТ 15.011-82* Система разработки и постановки продукции на производство. Порядок проведения патентных исследований.

ГОСТ 9327-60 Бумага и изделия из бумаги. Потребительские форматы.

Определения

В настоящем отчете о НИРС применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Фибра – волокна, применяемые для дисперсного армирования грунта, бетона, газо- и пенобетона, полистиролбетона, также добавляется в строительный раствор, сухие строительные смеси и т.п.

Армогрунт – грунтовый массив, армированный каким-либо способом.

Фиброармирование грунта – армирование массива грунта фибровыми волокнами.

Динамическая нагрузка – нагрузка, характеризующаяся быстрым изменением во времени её значения, направления или точки приложения и вызывающая в элементах конструкции значительные силы инерции.

Вибрационная нагрузка -нагрузка, являющаяся следствием возникновения вибраций.

Введение

Влияние динамических нагрузок на грунты необходимо изучать для полного понимания поведения грунтов, предотвращения разрушения конструкций, расположенных на грунтах в зоне действия динамических нагрузок.

Динамические воздействия связаны с вибрацией вследствие действия машин и механизмов, особенно с неуравновешенными вращающимися частями, с ударными воздействиями, со взрывами, с перемещающимся транспортом, с сейсмическим воздействием, действием фильтрационных потоков и др. Поэтому динамические нагрузки делят на: вибрационные, ударные, виброударные, волновые, взрывные и сейсмические нагрузки.

Вибрация во время динамических воздействий уменьшает силы междучастичного трения и сопротивление сдвигу. Сильные импульсные воздействия могут вызвать дополнительные осадки и просадки. При определенной частоте колебаний междучастичное трение в сыпучих грунтах может настолько уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при малом количестве воды в нем. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, в которых находилась, поэтому возникает поровое противодавление, уменьшающее сопротивление сдвигу. При динамических воздействиях в основном уменьшаются межчастичные силы трения, а в меньшей степени уменьшается угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения будет уменьшаться вследствие разрыхления грунта, то есть увеличения его пористости.

Песчаные грунты могут разжижаться. Дело в том, что с ростом частоты колебаний они начинают "течь" как вязкая жидкость. Разжижение начинается после преодоления порога колебаний по частоте. До разжижения, при меньшей частоте колебаний до этого порога, проявляется виброползучесть. Чаще всего разжижаются водонасыщенные мелкие и пылеватые пески. Чем больше пористость грунта, тем при меньших динамических воздействиях начинается разжижение. Отсутствие в грунте напряжений именно переменного знака исключает возможность разжижения песчаных грунтов. Статическая нагрузка не только снижает возможность разрушения структуры грунта, но и уменьшает уплотняемость несвязных грунтов при динамической нагрузке.

Кроме того, динамические воздействия можно подразделить на слабые, которые могут часто действовать относительно длительное время, и сильные, которые могут действовать и кратковременно, возможно даже однократно (удар, взрыв). По времени действия усилия подразделяются на длительно действующие и кратковременные.

Краткий обзор на тему изученности темы научно-исследовательской работы

Изучением динамических свойств грунтов занимались как отечественные, так и зарубежные ученые.

Е.А. Вознесенский в своей монографии «Поведение грунтов при динамических нагрузках», опираясь на собственные оригинальные исследования автора и уже опубликованный отечественный и зарубежный материал, рассматривает теоретические и практические аспекты современной динамики грунтов, обращая особое внимание на ключевую проблему - проблему динамической неустойчивости всего разнообразия грунтов разных классов [2,3]. Выведены закономерности реакции различных грунтов на динамическое воздействие и сформулирован энергетический подход к ее изучению и практической количественной оценке. Обобщены и проанализированы современные методы динамических испытаний грунтов в лабораторных и полевых условиях, а также особенности динамического взаимодействия фундаментов сооружений с грунтами оснований. Приводятся подробные сведения о разнообразных природных и техногенных динамических нагрузках, методические приемы из измерения и моделирования в эксперименте. Исследованию методов динамический испытаний грунтов Е.А. Вознесенский посвятил также свою статью «Динамические испытания грунтов. Состояние вопроса и стандартизация». В статье рассматриваются экспериментальные методы оценки динамических свойств дисперсных грунтов, определяется круг решаемых ими задач и формулируется подход автора к разработке, структуре и содержанию первого российского стандарта по лабораторным динамическим испытаниям дисперсных грунтов.

Изучением динамических свойств водонасыщенных грунтов занимался А.А. Вовк. В свое книге «Динамика водонасыщенных грунтов» он рассмотрел вопросы, связанные с проведением взрывных работ в водонасыщенных минеральных и органоминеральных грунтах [1]. Изложены теоретическая база деформирования грунтов динамическими нагрузками, результаты натурных исследований параметров взрывных волн, объемных деформаций на фронте и за фронтом волн напряжения, закономерности распределения малых деформаций грунтового массива в средней зоне действия взрыва и их влияние на полезные свойства грунтов. Приведены результаты исследования технологии ведения взрывных работ, а также промышленного использования взрывов в водонасыщенных грунтах.

Т.З. Султанов в своей статье «Оценка динамического поведения неоднородных систем с учетом нелинейно-вязкоупругих свойств грунта» приводит подробный обзор современного состояния проблемы учета нелинейных реологических свойств грунтов при оценке напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений. В статье представлены математическая постановка, методы и алгоритмы для оценки динамического поведения грунтовых сооружений с учетом неоднородных особенностей конструкции, линейных, нелинейно-упругих, нелинейно-вязкоупругих свойств грунта при различных динамических воздействиях [9].

Большое практическое значение имеют исследования Х. А. Рахматулина по динамике грунтов. Им были рассмотрены вопросы проникания тел и распространения взрывных волн в грунтах и бетоне [7]. Результаты этих исследований нашли применение, в частности, при расчете гидротехнических и подземных сооружений на сильные взрывные нагрузки.

В его книге «Прочность при интенсивной кратковременной нагрузке» изложены методы расчета интенсивных динамических нагрузок, в гражданском промышленном строительстве, сейсмологии, при проведении горных разработок.

Ю.И. Гримза придумал многие оригинальные установки, которые используются при выполнении студенческого практикума и по нынешний день, в частности установка для определения диаграммы состояния грунтов по данным динамических испытаний [4].

Проведенные Гримзой Ю. И. исследования распространения волн в грунтах показали существенную нелинейность исследуемых сред и экспериментально подтвердили сформулированную Рахматулиным Х. А. модель «пластического газа», продуктивно применяющуюся для описания динамики грунтов.

Сейсмические нагрузки входят в число динамических. Изучением сейсмостойкости занимался Л. Р. Ставницер [8]. В его книге изложены результаты исследований сейсмостойкости фундаментых конструкций зданий и сооружений и их грунтовых оснований. Рассмотрено влияние сейсмических колебаний на прочностные свойства грунтов по результатам их трехосных динамических испытаний в вибростабилометре. Разработан метод расчета сейсмостойкости оснований. Исследовано влияние направления сейсмического воздействия на устойчивость оснований и предложен оригинальный способ расчета сейсмостойкости оснований крупноразмерных фундаментных плит. По результатам анализа последствий землетрясений определены условия образования необратимых деформаций грунтов и предложен метод прогноза накопления сейсмоосадок оснований с учетом повторяемости землетрясений. Изложены принципы расчета и проектирования фундаментов на сваях и в вытрамбованных котлованах. Рассмотрена сейсмостойкость траншей, анкерных плит и оползневых склонов.

Коваленко В. Г. в своей работе «Оценка динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов в целях обустройства нефтегазоносных месторождений в Среднем Приобье» решал важную и сложную проблему современной инженерной геологии по оценке динамической устойчивости массивов дисперсных грунтов, испытывающих воздействие длительных вибрационных нагрузок [6]. Эта научная проблематика охватывает целый ряд специальных вопросов, включающих: закономерности формирования полей вибрации в массивах грунтов вблизи промышленных и транспортных источников, методические пути моделирования этих воздействий в эксперименте, природу и закономерности реакции грунтов на динамические нагрузки с учётом квазитиксотропных эффектов и виброползучести, вопросы методики оценки динамической устойчивости грунтов в условиях их естественного залегания, оптимизацию инженерно-геологических изысканий, типизацию массивов дисперсных грунтов разного состава и состояния, возможности управления реакцией массивов грунтов на динамические нагрузки.

Изучением динамических характеристик лессовых грунтов занималась С.Д. Иониди [5]. Результаты были зафиксированы в автореферате «Идентификация динамических характеристик лессовых грунтов». Основания многих зданий и сооружений испытывают длительные динамические воздействия от работы машин и промышленного оборудования, которые в зависимости от интенсивности и характера воздействия, могут вызывать развитие неравномерных осадок фундаментов, нарушать работу точного оборудования, затруднять технологические процессы, оказывать вредное физиологическое воздействие на людей.

В работе представлена методика выбора адекватной модели динамической системы «фундамент-грунт» путем оптимального определения ее параметров по результатам эксперимента. Элективное решение этой задачи возможно методом теории идентификации, имеющей уже успешное применение в различных областях науки и техники. Она позволяет по данным эксперимента определять оптимальные параметры принятой математической модели, кроме того, метода идентификации оказываются полезными и для обработки результатов экспериментальных исследований, а также дают возможность максимально автоматизировать процесс расчета и проектирования фундаментов под машины с динамическими нагрузками. В данной работе рассмотрены вопросы теоретического обоснования, реализации и практического использования метода теории идентификации для определения динамических характеристик грунтовых оснований.

Испытания грунтов при динамических нагрузках являются необходимым условием для оценки возможности изменения свойств грунтов оснований сооружений в процессе их эксплуатации при приложении к ним циклических нагрузок природного и техногенного характера. Особенно важным такой прогноз является для сооружений повышенной ответственности, срок эксплуатации которых весьма значителен. Методики проведения испытаний, обработки результатов опытов и оценки поведения грунта при воздействии динамических (циклических) нагрузок в существующих нормативах отсутствуют. В лаборатории разработаны и успешно применяются методики такого рода испытаний, моделирующие циклические нагрузки, вызванные землетрясениями, ударами штормовых волн, навалами ледовых полей, технологическими вибрациями от воздействия транспорта, разного вида машин, механизмов и т.д.

В настоящее время учеными не до конца изучена проблема защиты грунтов от динамических нагрузок. Чаще всего грунты усиляют армированием или инъецированием.

Один из возможных вариантов усиления массива грунта – армирование его фиброй синтетического или природного происхождения[10]. Данная технология на практике встречается редко в силу своей неизученности.

Однако известно, что фиброармирование положительно сказывается на состоянии грунта, находящего под действием динамических нагрузок. Результаты научных исследований показывают, что волокна фибры, введенные в грунт, повышают прочностные характеристики грунта [10]. Совместная работа отдельных волокон и частиц грунта способствует появлению у несвязного грунта удельного сцепления и увеличению угла внутреннего трения, что частично блокирует динамические нагрузки.

Патентный поиск

Патентный поиск - отбор из множества документов и текстов тех документов или сведений, которые по смысловому содержанию соответствуют теме (предмету) запроса по определенным признакам. Процедура проведения информационного поиска включает действия, направленные на определение предмета поиска, области и объема поиска в массивах патентной и непатентной информации, поиск информации и заполнение отчета о поиске.

При поиске непатентной литературы рекомендуется в первую очередь обращаться к источникам информации в соответствии с перечнем изданий, опубликованным на сайте Международного бюро ВОИС по адресу: http://www.wipo.int/standards/en/ на странице WIPO HANDBOOK (Standards) - РСТ Minimum Documentation.

В настоящее время провести качественный патентный поиск можно, используя Интернет. Причем существует значительное количество бесплатных Интернет-ресурсов (баз данных), применяя которые в большинстве случаев можно обеспечить достаточный уровень результатов поиска.

В России оказанием государственных услуг в сфере правовой охраны изобретений, полезных моделей, промышленных образцов, программ для электронно-вычислительных машин, баз данных и топологий интегральных микросхем (в том числе входящих в состав единой технологии), товарных знаков, знаков обслуживания и наименований мест происхождения товаров занимается Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент, сайт которого расположен по адресу http://www.rupto.ru/) и подведомственное ему учреждение - Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС, сайт которого расположен по адресу http://www.fips.ru/[11]).

ФИПС [11] публикует официальную информацию по всем объектам промышленной собственности в электронном виде на оптических дисках и предоставляет указанную информацию в доступ через сайт в сети Интернет, различных базах данных, служащих для разных целей и пользователей.

В разделе «Информационные ресурсы» сайта ФИПС дана ссылка на информационно-поисковую систему (ИПС) Роспатента, расположенную по адресу:

http://wwwl.fips.ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru/inform_resources/inform_retrieval_system/

ИПС обеспечивает бесплатный вход в международные классификаторы (МПК, МКПО, МКТУ), в базу данных полных текстов Российских патентных документов из последнего бюллетеня, а также в базы данных:

- перспективных изобретений (IMPIN);

- рефератов Российских патентных документов на русском (RUPATABRU) и английском (RUPATABEN) языках;

- рефератов полезных моделей (RUPM).

Платный доступ в ИПС открыт к полнотекстовым базам данных по изобретениям (RUPAT, RUPATABRU, RUPATABEN), к ретроспективной базе данных Российских патентных документов 1924-1993 гг. (RUPAT_OLD), а также к базам данных:

- полезных моделей (RUPM, RUPMAB);

- Российских товарных знаков (RUTM);

- наименований мест происхождения товаров (RUGP);

- международных товарных знаков с указанием России (ROMARIN);

- общеизвестных в России товарных знаков (WKTM);

- промышленных образцов (RUDE).

В ИПС возможен поиск по текстовым полям, по номерам и по датам с использованием масок, подстановок, интервалов, и т.д.

Работа с ИПС начинается со страницы регистрации, находящейся по адресу:

http://wwwl.fips.ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru/inform_resources/inform_retrieval_system

По базе ФИПС [11] был проведен патентный поиск, в результате которого были найдены следующие работы:

1) Авторы: Путиловский С.А., Мордвинов А.В., Ягин В.П.[12]

Патент на изобретение №2482244

Способ армирования грунта

Рис. 1 Земляная насыпь ж/д пути, послойно укрепленная армирующими лентами, поперечный разрез

Рис.2 Две смежные армирующие ленты в раскатанном по поверхности слоя грунта виде, вид сверху

Рис. 3 Разрез А-А на Рис. 2 поперечный разрез армирующей ленты

Рис.4 Разрез Б-Б на Рис.2 продольный разрез армирующей ленты

Обозначения к рисункам:

1 - грунтовая насыпь

2 - армирующие ленты

3 - подпорная стенка

4 - габионы

5 - стальные проволоки

6 - поперечные ребра

7 - грунтовый слой

8 - конец ленты (защемленный)

9 - конец ленты (свободный)

10 - откос (свободный)

11 - полоса (на конце ленты)

12 - ось армирующей ленты

13 - ось железнодорожного пути

14 - шпала

15 - рельс

16 - водоотводящая канава

17 - покрытие проезда

18 - дренажный слой

19 - естественная поверхность земли

а - ширина ленты

- толщина ленты

в - расстояние между лентами в плане

h - высота ребра

d - толщина ребра

с - шаг ребра

Описание: Изобретение относится к области строительства, а именно к укреплению армированием грунтом склонов, откосов, насыпей, засыпок подпорных стенок, а также оснований сооружений. Способ армирования грунта включает укладку и засыпку грунтом армирующих лент. Армирующие ленты укладывают поперек насыпи на поверхность отсыпанного с выравниванием и уплотнением грунтового слоя и засыпают грунтом последующего слоя. Армирующие ленты выполняют из полимерного материала, содержащего стальные проволоки, вытянутые вдоль армирующей ленты, поверхности армирующих лент структурируют поперечными ребрами.

2) Авторы: Журавлев А.И., Оснос С.П., Ахмадеев В.Ф.[13]

Патент на изобретение №2418752

Фибра базальтовая

Описание: Фибра базальтовая предназначена для трехмерного упрочнения и повышения стойкости фибробетона (по сравнению с железобетоном) к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, создает необходимый запас прочности и способствует сохранению целостности конструкции при сквозных трещинах. Технический результат – создание фибры базальтовой для использования ее в качестве добавки для бетона, обеспечивающей качественное перемешивание ее в растворе цемента.

3) Авторы: Наумов О.Н., Коротышевский О.В.[14]

Патент на изобретение №2012498

Способ подачи фибр

Описание: Приготовление строительных смесей, содержащих фибры. Подачу фибр в смеситель осуществляют путем рассева при скорости вращения барабана, равной 20-60 об/мин. Разделение комков фибр осуществляется шипами барабана и зубьями рыхлительного вала, расположенного во второй по ходу вращения верхней четверти барабана при скорости вращения последнего не менее критической.

4) Авторы: Александров Б.К., Волков Л.П., Захаров С.Т.[15]

Патент на изобретение №690115

Устройства для определения динамических характеристик грунта

Описание: Изобретение относится к строительству и предназначено для определения в полевых и лабораторных условиях динамических характеристик грунтовых оснований, необходимых для проектирования и расчета фундаментов машин с динамическими нагрузками.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для определения динамических характеристик грунтов, включающее штамп, вибратор направленного действия с опорой, измерительные приспособления и набор грузов.

Путем манипуляции грузовыми наборами плит и соответствующей установкой дебалансов вибратора достигается независимость изменения статических и динамических параметров колебательной системы штамп-грунтовое основание для различных видов деформации последнего.

Целью изобретения является повышение точности определения динамических характеристик грунтов.