CC BY
30
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №2, Том 10 / 2018, No 2, Vol 10 https://esj.today/issue-2-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/78SAVN218.pdf Статья поступила в редакцию 28.03.2018; опубликована 22.05.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Зверев А.О., Саинов М.П. Экспериментальные исследования работы геомембран при сдвиге по бетону и щебню // Вестник Евразийской науки, 2018 №2, https://esj.today/PDF/78SAVN218.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Zverev A.O., Sainov M.P. (2018). Experimental studies of geomembrane operation at shearing against concrete and crushed stone. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(10). Available at: https://esj.today/PDF/78SAVN218.pdf (in Russian)
УДК 627.8, 691
Зверев Андрей Олегович
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», Москва, Россия
Ассистент E-mail: zverev_0591@mail.ru РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=812208
Саинов Михаил Петрович
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», Москва, Россия
Доцент кафедры «Гидравлики и гидротехнического строительства»
Кандидат технических наук E-mail: mp_sainov@mail.ru РИНЦ: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=427608
Экспериментальные исследования работы геомембран при сдвиге по бетону и щебню
Аннотация. Анализируются результаты экспериментальных исследований поведения полимерных геомембран (из поливинилхлорида и полиэтилена) при сдвиге по поверхности бетона и щебня. Эти исследования были проведены с помощью экспериментальной установки, созданной авторами. Установка позволяет испытывать крупномасштабные образцы геомембран (диаметром 40 см) на сдвиг по разным поверхностям при высоких прижимающих давлениях.
Было получено, что контакт полиэтиленовых геомембран с бетоном и щебнем имеет довольно низкое сопротивление сдвигу - существует опасность проскальзывания по контакту. Сдвиг геомембраны из ПВХ происходит иначе, без проскальзывания по контакту. Эластичные геомембраны из ПВХ при высоких давлениях плотно прижимаются к неровностям поверхности, поэтому проскальзывание по контакту невозможно. Кажущийся сдвиг реализуется в виде больших смещений, которые возникают за счёт значительного удлинения ПВХ-геомембраны.
Испытания выявили, что сдвиговые смещения могут представлять для геомембран серьёзную опасность. Сдвиг по неровной поверхности осложняет характер распределения напряжений в геомембране и может привести к нарушению её прочности на растяжение. По этой причине нарушение целостности полимерной геомембраны может произойти даже при относительно невысоком давлении на неё (0,4^0,8 МПа). Укладка геотекстиля на контакте геомембраны с неровными поверхностями позволяет повысить запас прочности геомембраны.
Ключевые слова: геомембрана; прочность; ПВХ; полиэтилен; сдвиг; экспериментальные исследования; трение; прокол
Современные полимерные геомембраны имеют хорошие перспективны для применения в качестве противофильтрационных устройств грунтовых плотин, т. к. обладают рядом важных преимуществ - они абсолютно водонепроницаемые и очень прочные. Благодаря большой толщине (2-6 мм) они устойчивы к проколу.
Возможность применения геомембран в качестве противофильтрационных устройств подтверждается опытом эксплуатации каменно-набросной плотины БоуШа высотой 91 м, которая была построена в Албании в 1996 году [1, 2]. Водонепроницаемость экрана плотины обеспечивается геомембраной из поливинилхлорида (ПВХ).
В 1990-е годы перед строительством плотины БоуШа были проведены масштабные исследования механических свойств геомембран [3, 4, 5]. Испытывались геомембраны из ПВХ, из полиэтилена высокого давления (ПЭВД, англ. ЬБРЕ) и низкого давления (ПЭНД, англ. НОРЕ). Была выявлена очень высокая прочность на растяжение полимерных геомембран всех типов. У геомембран из ПВХ прочность на растяжение достигает почти 15 МПа, у геомембран из ПЭНД - до 20-30 МПа, а из ПЭВД - около 10 МПа [4, 5, 6]. Однако выбор был сделан в пользу геомембран из ПВХ и они получили наибольшее распространение в гидротехническом строительстве1. Это вызвано тем, что пластифицированный ПВХ чрезвычайно эластичный и более деформируемый. Модуль деформации ПВХ-мембран не превышает 150 МПа, в то время как у ПЭВД он может достигать 400 МПа, а у ПЭНД - 600-1000 МПа [4, 5].
Производители геомембран уверены в том, что благодаря высокой прочности и высокой эластичности полимерных материалов геомембраны смогут обеспечить целостность противофильтрационной защиты даже при высоких деформациях плотин.
Однако наши численные исследования напряжённо-деформированного состояния ряда плотин [7, 8] выявили, что трение геомембраны по грунту может препятствовать смещениям геомембраны, из-за чего в ней могут возникать значительные растягивающие напряжения.
На основе результатов численных исследований был сделан вывод о необходимости исследований механических характеристик контакта геомембран с различными поверхностями. Хотя давно известно, что из-за низкого коэффициента трения может происходить скольжение грунта по полимерным плёнкам, тем не менее вопрос о прочности контакта геомембраны с различными поверхностями исследован очень слабо. Нами были найдены только 2 иностранных источника, в которых описываются результаты исследований сдвига грунта по геомембране [9, 10]. В них описываются исследования полимерных геокомпозитов (на основе РУС и НОРЕ) в сдвиговом приборе.
Кроме того, нам было важно, оценить прочность геомембран в условиях, когда они сдвигаются по поверхности. Было высказано предположение, что при наличии сдвиговых смещений может происходить повреждение геомембраны.
1 ICOLD. Geomembrane sealing systems for dams. Design principles and rewiew of experience. 2010. Bulletin 135. 464 p.
Страница 2 из 9
Введение
78SAVN218
Метод и методика
Для исследований механических свойств геомембран при сдвиге относительно различных поверхностей нами была разработана и создана экспериментальная установка. Её особенностью является возможность испытывает крупноразмерные образцы геомембран на действие высоких нормальных и сдвиговых сил. Установка имеет высоту 1,6 м, размеры в плане 0,8x1,6 м. Она позволяет испытывать образцы геомембраны диаметром 40 см.
Схема устройства установки показана на рис. 1. Испытываемая геомембрана 1 жёстко закрепляется по контуру камеры давления 2 диаметром 432 мм. Нормальное давление (величиной до 3 МПа) на геомембрану создаётся водой, нагнетаемой электрическим насосом. Давление контролируется с помощью манометра 4. Манометр может измерять давление до 6 МПа с погрешностью 0,09 МПа.
Нормальным давлением геомембрана прижимается к поверхности материала, механические свойства контакта с которым необходимо исследовать. Этот материал укладывается в лоток 5 с размерами в плане 750x850 мм. Лоток - подвижный, он может перекатываться по поверхности неподвижной столешницы 10. Благодаря этому можно исследовать процессы трения геомембраны по различным материалам. Движение лотка создаётся гидравлическим домкратом 6, развивающем сдвигающее усилие до 50 Т. Между домкратом 6 и лотком 5 установлен датчик мембранного типа, который позволяет измерять сдвигающее усилие (предел измерений 60 Т). Его погрешность датчика составляет 50 кг. Информация об измеряемой датчиком сдвигающей силе отображается на табло электронного прибора.
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
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки (разработана авторами)
Для возможности создания высокого нормального давления на контакте геомембраны с материалом, находящимся в лотке, в установке создана система мощных опорных конструкций. Она включает опорную раму 8 из швеллеров №22, столешницу 10, выполненную из металлического листа толщиной 8 мм с упором для домкрата, а также связи 11 между рамой и столешницей, которые выполнены из швеллера №10. Камера давления крепится к перекладине 9 шпильками диаметром 24 мм, подвешенной к опорной раме 8.
На рис. 2 показана фотография установки. Её общий вес составляет 450 кг.
Установка позволяет проводить различные виды испытаний геомембран: на растяжение, на прокол, на трение.
Были проведены испытания геомембран разных типов:
• гладкая ПВХ-геомембрана (толщиной 2,5 мм);
• геокомпозит из ПВХ-геомембраны (толщиной 2,5 мм) и геотекстиля;
• гладкая геомембрана из ЬЬБРЕ толщиной 2 мм;
• структурированная геомембрана из ЬЬБРЕ толщиной 1,5 мм;
• геокомпозит на основе геомембраны из ЬЬБРЕ (толщиной 1,5 мм);
• гладкая геомембрана из НОРЕ (толщиной 2 мм);
• геокомпозит на основе геомембраны из НОРЕ (толщиной 1,5 мм).
Исследовались механические характеристики контакта этих геомембран с двумя видами поверхностями:
• почти гладкая поверхность бетонной плиты;
• поверхность щебенистого грунта крупностью 40^70 мм.
При этом следует отметить, что при высоких давлениях бетонная плита трескалась, что создавало на её поверхности неровность.
Рисунок 2. Фотография установки (получена авторами)
78SAVN218
Последовательность проведения эксперимента заключалась в следующем. Геомембрана нагружалась нормальным давлением а и придавливалась им к исследуемой поверхности. Давление достигало 1,4 МПа, но чаще - лишь 0,6 МПа. Затем проводился замер площади А соприкосновения геомембраны и поверхности. Далее включался домкрат, который приводил в движение лоток с материалом, соответствующим исследуемой поверхности. Сила сдвига Т постоянно возрастала, соответственно увеличивались и смещения лотка. Момент проскальзывания контакта фиксировался визуально, а также по эффекту снижения силы сдвига. По полученной максимальной силе сдвига Т и площади соприкосновения А вычислялись касательные напряжения т, соответствующие моменту проскальзывания. На этом моменте эксперимент останавливался. Эксперимент останавливался также и в том случае, если происходил разрыв геомембраны.
Результаты
По результатам эксперимента были построены зависимости между нормальным а и касательным т напряжениями, соответствующими моменту сдвига (рис. 3, 4).
Было установлено, что восприятие силы сдвига происходит по-разному для ПВХ-геомембран и геомембран из полиэтилена. Полиэтиленовые геомембраны довольно жёсткие, поэтому при значительной силе сдвига они проскальзывают по поверхности контакта (рис. 3). Зависимость между а и т близка к линейной, хотя по мере роста а увеличение т несколько замедляется. Для инженерных расчётов коэффициент пропорциональности зависимости между а и т, коэффициент можно считать константой.
Сопротивление сдвигу геомембран из полиэтилена по бетонной поверхности оказалось выше, чем по поверхности щебня. При а = 0,1 МПа коэффициент трения контакта текстурированной геомембраны f по бетонной поверхности превышает 0,9, а по щебню - около - 0,5. С увеличением а коэффициент трения f снижается соответственно до 0,5 и 0,3.
Рисунок 3. Результаты экспериментальных исследований зависимости между предельным значением касательных напряжений ти нормальным давлением а на контакте с полиэтиленовыми геомембранами (получено авторами)
У гладкой геомембраны сопротивление сдвигу существенно слабее. На контакте геомембраны со щебнем коэффициент трения при малых значениях а получен равным около
0,3, а при высоких - 0,24. При наличии между геомембраной и поверхностью геотекстиля коэффициент трения ещё больше снижается - он может быть меньше 0,2.
В [9] коэффициент трения был получен равным около 0,7. Если сравнить значения, полученные нами с приведёнными [9], то будет видно, что начальное значение f у нас получено несколько большим, а конечное - существенно меньшим. Это, по-видимому, объясняется различием в условиях проведения эксперимента. В [9] максимальное нормальное давление а, при котором проводились испытания, составляло всего 0,15 МПа. Кроме того, в [9] геомембрана опиралась на жёсткий гладкий блок и по ней сдвигался грунт, а в нашем эксперименте неровная геомембрана сдвигалась по грунту (или бетону). В [9] испытывались относительно тонкие плёнки (0,8 мм), а качестве грунта использовался дресвяный грунт с размерами частиц 5-20 мм, поэтому контакт «геомембрана-грунт» был более плотным.
Соответственно, наши результаты позволяют оценить работу контакта «геомембрана-грунт» при высоких давлениях, характерных для высоких плотин.
По результатам наших экспериментов, у ПВХ-мембран зависимость между а и т получена нелинейной (рис. 4). При этом она мало зависит от характера поверхности (бетон или щебень). Начальное (при малых значениях а) значение коэффициента трения можно оценивать в 0,3. При давлениях а свыше 0,3 МПа сопротивление сдвигу резко снижается. Пластичная ПВХ-геомембрана, плотно прилегая к неровностям поверхности, испытывая сдвиг начинает тянуться. Сдвиг происходит без проскальзывания геомембраны по поверхности, он -кажущийся. Можно сказать, что контакт ПВХ-геомембран с грунтами имеет повышенную восприимчивость к сдвиговым деформациям. Однако, т. к. геомембраны их ПВХ очень плотно прилегают к неровностям и очень тонкие, то можно ожидать, что фрагмент грунта, вмещающий ПВХ-геомембрану, будет довольно устойчив к сдвигу.
0.16 0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
T [МПа] j
о
f ) с ь )
Л I i ■
О по бетону, с геотекстилем □ по бетону, без геотекстиля Л по щебню, без геотекстиля Д по щебню, без геотекстиля
A 1
МПа] -,
-
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Рисунок 4. Результаты экспериментальных исследований зависимости между предельным значением касательных напряжений ти нормальным давлением а на контакте с геомембранами из ПВХ (получено авторами)
Самым важным результатом экспериментов явилось то, что подтвердилась наша гипотеза о том, что при сдвиге происходит снижение запаса прочности полимерных изделий на растяжение.
Во всех экспериментах с полиэтиленовыми геомембранами наблюдалось её повреждение. Это повреждение происходило в виде образования маленького отверстия, через которое вытекала воды. Нарушение целостности геомембраны из LLDPE на контакте с щебнем
было зафиксировано при давлении 0,5 МПа, из НОРЕ - при давлении 0,7 МПа. При наличии геотекстиля нарушение целостности геомембраны произошло при более высоких давлениях -соответственно при 0,7 МПа и 1 МПа. На контакте с бетонной поверхностью прочность полиэтиленовых геомембран оказалась более высокой. Повреждение ЬЬБРЕ произошло при давлении 0,8 МПа, а НОРЕ - при 1,2 МПа.
Геомембраны из ПВХ не были повреждены во всех опытах по бетонной поверхности. При сдвиге по бетонной поверхности геомембраны из ПВХ оказались менее восприимчивы к влиянию сдвиговых смещений и более прочными. Они эластично растягивались, но не рвались. Однако при сдвиге по щебню геомембраны из ПВХ оказались даже менее надёжными, чем геомембраны из полиэтилена. Достигнув определённого уровня удлинения, они полностью разрушались. ПВХ-мембрана порвалась при давлении а 0,8 МПа.
Выводы
1. Наиболее опасным для прочности геомембраны представляет случай, когда растянутая геомембрана сдвигается по шероховатой поверхности. В этом случае из-за сложного характера распределения напряжений запас прочности геомембраны резко снижается. По результатам наших испытаний геомембраны, контактирующие с крупнообломочным грунтом не могут быть прочными даже тогда, когда давление, которым они прижимаются к грунту составляет всего 0,4^0,7 МПа. В более благоприятных условиях геомембраны находятся, если поверхность - гладкая. Образование в гладкой бетонной поверхности трещин угрожает нарушению прочности полиэтиленовым геомембранам. ПВХ-геомембраны способны сильно тянуться, не разрушаясь.
2. У ПВХ-геомембран и геомембран из полиэтилена принципиально разный характер разрушения. Растянутые ПВХ-геомембраны при незначительном нарушении целостности полностью разрушаются. Повреждения геомембран из полиэтилена носят локальный характер, их полного разрушения не происходит.
3. Контакт полимерных геомембран с бетоном и крупнообломочными грунтами имеет низкую сдвиговую прочность при высоких нормальных давлениях (около 0,5 МПа) Коэффициент трения контакта структурированной полиэтиленовой геомембраны с бетоном может составлять всего 0,5, а со щебнем - лишь 0,3. ПВХ-геомембраны совершенно иначе воспринимают сдвиговые силы - они не проскальзывают по контакту, а тянутся, вызывая существенные смещения в направлении сдвига. Условный коэффициент трения контакта ПВХ-геомембраны со щебнем и бетоном может снижаться до 0,2 и даже до 0,1.
4. Укладка на контакте геомембраны с конструкцией геотекстиля улучшает условия восприятия ею сдвиговых усилий, однако снижает сдвиговую прочность контакта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sembenelli, P., Sembenelli, G. and Scuero, A.M. Geosynthetic system for the facing of Bovilla Dam, Proceedings of the 6th International Conference on Geosynthetics, (Ed. R.K. Rowe). 1998. Atlanta, Georgia, USA, International Fabrics Association International, Roseville. Minnesota. pp. 1099-1106.
2. Саинов М.П., Зверев А.О. Работоспособность высокой каменно-набросной плотины с полимерным экраном // Инженерно-строительный журнал. 2017. № 7(75). С. 76-83.
3. Christensen, J. Chris. A conceptual design for underwater installation of geomembrane systems on concrete hydraulic structures. Technical report; REMR-CS-50. Vicksburg, Miss.: U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, 1995. 102 p. in various pagings: ill., photos; 28 cm.
4. Koerner R.M. Designing with Geosyntetics. 5th edn. Prentice Hall. 2005. 816 p.
5. Зверев А.О., Саинов М.П. Противофильтрационные элементы грунтовых плотин из геосинтетических материалов // Инновации и инвестиции. 2018. №1. С.202-210.
6. Пастушков В.Г., Янковский Л.В. Проектирование дорожной одежды над подземным сооружением торгового центра // Интернет-журнал «Науковедение». 2013. №5 https://naukovedenie.ru/PDF/86tvn513.pdf.
7. Саинов М.П., Хохлов С.В. Анализ работы полимерного экрана высокой грунтовой перемычки на основе расчетов напряженно-деформированного состояния // Вестник МГСУ. 2013. №8. С. 78-86.
8. Зверев А.О., Саинов М.П. Работоспособность зигзагообразной полимерной диафрагмы высокой грунтовой перемычки // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып.5 (104). С. 490-495.
9. Haimin Wu, Yiming Shu, Linjun Dai, Zhaoming Teng. Mechanical Behavior of Interface between Composite Geomembrane and Permeable Cushion Material. Hindawi Publishing Corporation. Advances in Materials Science and Engineering. 2014. http://dx.doi.org/10.1155/2014/184359.
10. Wu, H.-M., Shu, Y.-M., Teng, Z.-M., Jiang, S.-P., Liu, Y.-F. Model tests on failure properties of geomembrane anchorage due to clamping effect in surface barrier of high rock-fill dam. Yantu Gongcheng Xuebao / Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2016. 38. Pp. 30-36.
Zverev Andrei Olegovich
Moscow state university of civil engineering (national research university), Russia, Moscow
E-mail: zverev_0591@mail.ru
Sainov Mikhail Petrovich
Moscow state university of civil engineering (national research university), Russia, Moscow
E-mail: mp_sainov@mail.ru
Experimental studies of geomembrane operation at shearing against concrete and crushed stone
Abstract. The results are analyzed of experimental studies of polymer geomembrane (made of PVC and polyethylene) behavior at shearing against concrete and crushed stone surface. These studies were conducted with the aid of the experimental plant created by the authors. The plant permits testing large-scale samples of geomembranes (40 cm in diameter) for shearing against different surfaces at great pressing forces.
It was obtained that the contact of polyethylene geomembranes with concrete and crushed stone has rather low shear strength: there is a threat of sliding along the contact. The PVC geomembrane shear takes place in another way, without sliding along the contact.
PVC elastic geomembranes at high pressures are tightly forced against the surface irregularities; therefore, sliding along the contact is impossible.
The superficial shear is realized in the form of large displacements, which arise due to considerable extension of the PVC geomembrane.
The tests revealed that shear displacements may cause a serious danger for geomembranes. Shear against the uneven surface complicates the pattern of stress distribution in the geomembrane and may lead to failure of its tensile strength.
Therefore, failure of polymer geomembrane integrity may occur even at relatively low pressure on it (0.4-0.8 MPa). Placement of geotextile on the geomembrane contact with uneven surfaces permits enhancing safety factor of the geomembrane.
Keywords: geomembrane; strength; PVC; polyethylene; shear; experimental studies; friction; blowout
