CC BY
24
УДК 502/504 : 627.5
З. Г. ЛАМЕРДОНОВ, К. Н. ДУЖАК
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия имени В. М. Кокова»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ГАБИОНОВ
ДЛЯ ОХРАНЫ И ЗАЩИТЫ ЗЕМЕЛЬ ОТ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ
Приведены результаты экспериментальных исследований по обоснованию эффективности цилиндрической формы габионов, по определению оптимальных геометрических характеристик плетеной сетки и заполнителя, в качестве которого предполагается использовать природный камень.
План экспериментальных исследований, моделирование, геометрический масштаб подобия, цилиндрические и призматические габионы, уравнения регрессии, ранжирование факторов.
Природные ландшафты подвержены эрозионным процессам усиленной антропогенной нагрузкой, вызванной научно-техническим прогрессом [1]. Эффективная борьба с эрозионными процессами невозможна без инновационных инженерных разработок. К таким разработкам можно отнести и новые конструктивные и технологические решения габионов, предназначенных для борьбы с водной эрозией на водосборах [2].
Исследования проведены по разработанному плану в соответствии с методикой. Экспериментальные исследования включали: эксперимент по обоснованию эффективности цилиндрической формы габионов, эксперимент по определению оптимальных геометрических характеристик плетеной сетки и заполнителя, в качестве которого предполагается использовать природный камень.
Для обоснования эффективности цилиндрической формы по сравнению с призматической проведены экспериментальные исследования на сжатие модельных образцов габионов. С целью получения качественной и количественной картины работы цилиндрических и призматических габионов соблюдены критерии
подобия при моделировании [3]:
геометрический масштаб подобия -
подобие диаграмм материалов натуры и модели -
Были изготовлены модели цилиндрических и призматических габионов в лаборатории. Высота и диаметр цилиндрического габиона составляли соответственно 20 и 10 см, площадь окружности, лежащей в основании цилиндра, F = 0,0079 м2. Высота и размер длины квадрата в основании призматического габиона соответственно 20 и 10 см. Площадь квадрата, лежащего в основании призмы, F = 0,01 м2.
Общий вид модельных образцов до и при испытании на испытательном стенде
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях.
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО
По результатам предварительных исследований были выбраны основные факторы. В основу исследований положен активный эксперимент, позволяющий влиять на основные факторы в соответствии с принятым планом [2].
Проанализировав все факторы, можно прийти к выводу, что на относительные деформации цилиндрических габионов существенное влияние оказывают следующие: относительный диаметр кам-
Уровни варьирования
ня в габионе Х1 = dk / D; относительный размер ячейки сетки Х2 = dc / D; относительная длина габиона Х 3 = I / D.
На основании предварительно проведенных экспериментов были определены интервалы варьирования основных факторов (табл. 1): D - диаметр габиона, D = 5 см; - диаметр камня в габионе, = 1,8...3,5 см; ?с - размер ячейки сетки в габионе, А = 0,8...1,6 см; I - длина габиона, I = 20...40 см.
Таблица 1
основных факторов
Фактор
Относительный диаметр камня в габионе Х: Относительный размер ячейки сетки Х2 Относительная длина габиона Х3
Уровень фактора
-1
+ 1
0,36 0,16 4
0,7
0,32
8
При проведении исследований был реализован полный факторный эксперимент 23. Оценка адекватности модели осуществлялась по критерию Фишера.
Проведена обработка, интерпретация результатов экспериментальных исследований. В соответствии с результатами обработки результатов экспериментальных исследований по обоснованию эффективности цилиндрической формы габионных конструкций доказано, что несущая способность цилиндрических габионов по сравнению с призматическими в 1,6 раза больше. Так, при непрерывной подаче нагрузки цилиндрические габионы разрушались при нагрузках Рраз = 10 кН и соответственно давлении страз = 1,27 мПа. Призматические габионы разрушались при нагрузках Рраз = 8 кН и давлении ораз =0,8мПа.
Для проведения исследований были изготовлены модельные образцы по инновационным технологиям [4-6]. В процессе экспериментальных исследований определяли относительные деформации ер £2, 83, е4: от действия собственного веса д = 30 Н/м и от действия собственного веса и сосредоточенной нагрузки, которая менялась. В результате обработки экспериментальных данных построены модели в виде уравнения регрессии для определения оптимальных геометрических характеристик цилиндрических габионов:
№ 2' 2012
в! = 0,0535 - 0,0043Хх + 0,0350Х2+ + 0,0468Х3 - 0,0038Х1Х2 + + 0,0015Х1Х3 + 0,0288Х2Х3;
е2 = 0,0890 + 0,0023Х1 + 0,0473Х2 + + 0,0603Х3 - 0,0035Х1Х2 + + 0,0035Х1Х3 + 0,0360Х2Х3;
Е3 = 0,1106 + 0,0051Х1 + 0,0549Х2 + + 0,0706Х3 - 0,0031Х1Х2 + + 0,0051Х1Х3 + 0,0399Х2Х3;
Б4 = 0,1260 + 0,0048Х1 + 0,0570Х2 + + 0,0735Х3 - 0,0028Х1Х2 + +0,0048Х1Х3 + 0,0395Х2Х3.
Осуществлен регрессионный факторный анализ полученных моделей и результатов исследований. С использованием диссоциативно-шагового метода определены наибольшие и наименьшие значения функции в факторном пространстве для каждой модели. Ранжирование факторов по степени влияния на выходную функцию было произведено по максимальному перепаду в однофакторных моделях, получаемых при стабилизации основных параметров в зоне максимума.
Наибольшее и наименьшее значения функции в факторном пространстве:
Е
1ШШ
Расчет однофакторных моделей в зоне максимума дает следующие уравнения 8^=0,157-0,006^;
81тах =0,101 + 0,066Х2 ;
^п =0;№ =0,95;Х2 = -1,00;Х3 =-1,00); 1тах = 0,1637;^ = -1,0; Х2 = 0,95; Х3 = 0,95).
(53|
е1тах =0,0947 +0,0727Х3.
В зоне минимума данный расчет дает следующие уравнения: 8^=0,0005-0,0020^;
£1тт =0,0012 + 0,0026Х2;
е1т^=0,0180 + 0,0194Х3.
Уравнение параметра оптимизации в зонах максимума и минимума относительно факторов Х1 и Х2: е1шк = 0,0980 - 0,0029^ + 0,0624Х, - 0,ООЗв^Х,; е1шш = 0,0067 - 0,0058^ + 0,0062Х, - 0,ООЗв^Х,.
По результатам экспериментальных исследований построены графики относительных деформаций от величины изгибающих моментов.
Выводы
Основные факторы, влияющие на величину относительных деформаций -это относительный размер ячеек сетки и относительная длина цилиндрического габиона. В диапазоне варьирования геометрических размеров диаметра камня с1у. =1,8...3,2 см у моделей цилиндрических габионов сильного влияния на деформации нет. Поэтому размер камня может быть любым в заданном диапазоне варьирования. Большее влияние оказывает размер ячейки сетки в габионе (варьировался в диапазоне с1с =0,8...1,6 см). С уменьшением размеров сетки цилиндрический габион становится более жестким.
1. Хаширова Т. Ю. Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока. - Нальчик: Полиграфсер-вис и Т, 2007. - 220 с.
Ранжирование факторов по степени влияния на выходную функцию было произведено по максимальному перепаду в однофакторных моделях, получаемых при стабилизации основных параметров в зоне максимума (табл. 2).
2. Ламердонов З. Г. Гибкие берегозащитные сооружения, адаптированные к морфологическим условиям рек. - Нальчик: КБГСХА, 2004. - 151 с.
3. Каганов Г. М., Евдокимова И. М., Шевченко К. И. Гидротехнические сооружения из армированного грунта. - М.: НИА - Природа, 2004. - 607 с.
4. Дужак К. Н., Ламердонов З. Г. Методические рекомендации по изготовлению и усилению цилиндрических габионов для защиты земель от водной эрозии // Приро-дообустройство. - 2010. - № 4.- С. 56 - 62.
5. Способ изготовления габионных тюфяков: пат. № 2413049 Российской Федерации; МПК Е02 В3/00, Е02 В3/12. / К. Н. Дужак; заяв. 07.12.2009; опубл. 27.02.2011. - Бюл. № 6. - 5 с.
6. Способ изготовления цилиндрических габионов: пат. № 2415995 Российской Федерации; МПК Е02 В3/00, Е02 В3/12. / К. Н. Дужак; заяв. 07.12.2009; опубл. 10.04.2011. - Бюл. № 10. - 6 с.
Материал поступил в редакцию 14.03.11. Ламердонов Замир Галимович, доктор технических наук, профессор E-mail: Lamerdonov-zamir@rambler.ru Дужак Константин Николаевич, аспирант
E-mail: Kant_n@rambler.ru
Таблица 2
Ранжирование факторов в зонах max и min
Значение AEj Степень влияния факторов при их ранжировании
- 0,0130 - 0,0040 0,1323 0,0052 0,1453 0,0389 Ae{X3}>AE{X2}>e{Xl}' max Ae{X3}>AE{X2}>e{Xl}' min
