CC BY
31
УДК 678.4.06:62-762.63:624.19
Л. Г. ПОЛШКОВА, В. I. ЛЕЩЕНКО, М. В. ЗАГОРСЬКИЙ, М. В.МИХАЙЛЕНКО, М. С. ХОРОЛЬСЬКИЙ (ДП УНДКТ1 «Д1НТЕМ»)
ПРОБЛЕМИ I ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛАСТОМЕРНИХ УЩДЛЬНЮВАЧШ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦП П1ДЗЕМНИХ СПОРУД
Проведено роботи з створення ефективних гумових ущiльнювачiв для герметизацй' стик1в в тдземних спорудах Í3 збiрного залiзобетону та чавуну, в тому числi тунельних обкладинок метро.
Проведены работы по созданию еффективных резиновых уплотнителей для герметизации стыков подземных сооружений из сборного железобетона и чугуна, в том числе тоннельных обделок метро.
The research work on creation of effective rubber sealants for hermetic sealing of joints of underground structures from modular ferro-concrete and pig-iron including the underground tunnel casings is carried out.
Одшею з проблем сучасного будування тдземних споруд з використанням збiрних конструкцш е забезпечення надшно! riдроiзоляцп конструкцшних елемештв. Гiдроiзоляцiя цих споруд складаеться з комплексу заходiв, нащ-лених на тдвищення водонепросякання повер-хонь елеменпв та герметизацiI !х стиюв [1]. Вибiр матерiалiв для цього визначаеться конс-трукцiею елементiв, технолопею !х монтажу та умовами експлуатаци. Так, при будiвництвi ту-нелiв метрополiтенiв iз чавуну герметизацiю стиюв здiйснюють шляхом зачеканювання БУСом та свинцевим дротом. Необхщшсть замши чавунних тюбiнгiв на збiрнi залiзобетоннi, яка виникла в останнi роки в Укра!ш через ве-лику вартють чавуну, поставила на першочер-говий план вирiшення задачi герметизацп сти-кiв мiж елементами тунельних обкладинок. Анатз зарубiжного досвiду будiвництва туне-лiв рiзного призначення показав перевагу герметизацй' стиюв тунельних конструкцш гумо-вими ущiльнювачами [2, 3]. Такий спошб гер-метизацй можливий як для чавунно! обкладин-ки, так i для конструкцш iз збiрного залiзобетону.
Рiзнi умови експлуатаци i монтажу, а також рiзноманiтнiсть фiрм-виготовлювачiв сприяли появi велико! кшькосп ущiльнювачiв рiзних конструкцiй. В юнуючих конструкцiях не проведено детального вивчення напружено-деформацшного стану ущiльнюючих елементiв при рiзних видах напруженостi. Вiдсутнi вщо-мосп з розрахунку конструкцiй перерiзiв ущ> льнювачiв для заданих умов експлуатаци та переконливих доказiв переваг т1е! чи iншоI конструкцiI.
Роботи з освоення перспективних техноло-гiй будiвництва тунелiв i шахт, якi впроваджу-
ються в УкраIнi, поставили вимоги зi створення ряду еластомерних ущiльнювачiв для гiдроiзо-ляци стикiв залiзобетонних елементiв тунельних i шахтних обкладинок в водонасичених грунтах при ди напору грунтових вод до 0.6 МПа та рН робочого середовища 10...11 одиниць. Ущiльнювачi повинш надiйно герметизувати стики елементiв рiзних конструкцiй, якi використовують для будiвництва перегiнних тунелiв метро дiаметром 5.6 i 6.0 м, станцiйних тунелiв метро дiаметром 8.5 i 9.8 м, ескалаторного тунелю дiаметром 10.1 м i рiзних типiв вентиляцшних шахт.
Крiм цього, на теперiшнiй час виникла не-обхiднiсть зi створення ущiльнювачiв для герметизацй стиюв тунельних обкладинок iз чавуну без ускладнення iснуючих конструкцiй тю-бiнгiв. Розрахунком встановлено, що щ вимоги можуть бути виконанi у випадку виготовлення установчоI канавки тд гумовий ущiльнювач з наступними розмiрами: шириною - до 35 мм, глибиною - не бiльше 6 мм.
Для виршення цих проблем в ДП УНДКТ1 «Д1НТЕМ» проведено комплекс робгг зi створення еластомерних матерiалiв та ущшьнюва-чiв iз них з високим рiвнем пружно-мiцнiсних i деформацiйних характеристик та термшом довговiчностi до 100 роюв. Створенi матерiали дослiджували за юнуючими стандартами з ви-значення вихщних характеристик та оцiнки ступеня збереження основних показникiв в процесi прискорених дослiджень при дiI робочого середовища. Крiм цього. проведено вив-чення напружено-деформацiйного стану юну-ючих ущiльнюючих елементiв рiзних конструкцш при рiзних видах напруженостi i визначен-ня залежностi напруги вщ дiючого
навантаження. Елементи конструкцш оцшюва-ли за оригшальними методиками. Деякi iз от-риманих результатiв випробувань гум та зразюв ГТВ у порiвняннi з iмпортним аналогом представленi в табл. 1 та на рис.1.
Таблиця 1
Властивосп розроблених еластомерних матерiалiв для ущiльнювачiв стикiв елементiв тунельних обкладинок
Найменування показника Значення показника для
матер1алу матершлу
1мпорт- Вггчизня-
ний ний
Умовна мщнють при роз-риванш, МПа, не менше 12.0 12.0
Ввдносне подовження при розтягуванш, %, не менше 300 300
Твердють, Од. Шор А 63+5 63+5
23456789 10 Розкриття стику, мм
—№1,iмпортний; —■— №2, вiтизняний
Рис.1. Залежшсть питомого контактного напруження в1д розкриття стику
З представлених у таблицi даних видно, що за властивостями з пружносп та мiцностi роз-роблеш матерiали аналогiчнi iмпортним мате-рiалам. Результати на рис. 1 свщчать, що дiапа-зон коливань деформацшних характеристик створених ущiльнювачiв з вщносного подов-ження та питомого контактного напруження при стендових випробуваннях зб^аеться з результатами аналогiчних випробувань зразюв iмпортних ГТВ. За прискорених випробувань на старшня ущiльнювачiв у заданих умовах бу-ло встановлено, що зразки випробуваних ГТВ не мають механiчних пошкоджень та збе-ртають вихвдне значення пружностi пiсля старшня, яке е^валентно 50, 70 та 100 рокам.
Крiм цього, проведено комплекс робгт з от-римання даних для створення конструкцш перерiзiв ГТВ для рiзних умов експлуатаци. Представляло iнтерес з встановлення можливо-стi створення конструкци гумового ущшьню-
вача для установки в канавку розмiрами, якi не перевищують тих, що вказанi вище. При цьому створеш ущiльнювачi повиннi забезпечити ге-рметизацiю стикiв тюбiнгiв при напорi грунто-вих вод до 0.6 МПа i вiдстанi мiж контактними поверхнями тюбiнгiв (розкриття стиюв) у межах 0...4 мм.
Вiдомi конструкци ущiльнюючих елементiв для тюбшпв. Основна концепцiя створення геометри поперечного перерiзу таких елементiв зводиться до поеднання рiзних конфiгурацiй ви!мок на опорнiй поверхнi i отворiв у масi профiлю у тому чи шшому спiввiдношеннi. Поперечний перерiз розглянутих ущiльнювачiв мае складну геометричну форму з концентраторами напруг. Приклад використання одного з таких ущiльнювачiв для герметизаци тюбiнгiв iз залiзобетону в перерiзi наведено на рис. 2. Як видно з рис. 2, поперечний перерiз розглянутих ущiльнювачiв мае складну геометричну форму. Така форма мае концентратори напру-жень, тому здшснити теоретичне ршення зада-чi з визначення напружено-деформованого стану ущшьнення не представляеться можливим.
Рис. 2. Схема герметизаци: 8 - розкриття стику; Р - тиск робочого середовища
Прийнято ршення при розробленш перерiзу ущiльнювача застосувати задачу з плоско! де-формаци. Основою для цього служить стабшь-нiсть навантаження по довжиш профiлю i ста-бшьнють його перерiзу. Задачi з плоско! дефо-рмацi! експериментально вирiшуються методом фотопружносп. Тому для розроблення конс-трукцi! перерiзу заданого ущiльнювача було застосовано поляризацшно-оптичний метод
[4-6].
Дослщження конструкцiй перерiзiв моделей ущiльнювачiв проводили на спещально розроб-леному пристро!, який наведено на рис. 3.
моделi цiеI конструкцiI представлено на рис. 4 (а - розкриття 20 мм, б - розкриття 0.1мм).
а)
б)
Рис. 3. Пристрш для дослвдження моделей ущшьнювач1в
Пристрш складаеться з прозороI касети для випробування зразкiв, яка встановлюеться мiж нерухомою i рухомою поперечками. Наванта-ження модельних зразкiв з оптично-активного матерiалу забезпечували вантажами вiдомоI маси. Величину зазору мiж поперечками i су-марну деформацiю ущiльнювачiв визначали з допомогою iндикаторiв, якi установлено на ру-хомiй поперечинi. Для визначення штерферен-цiйноI картини смуг використовували поляро-скоп ППУ-7.
Оцшку дослiджених конструкцiй здiйсню-вали за значенням середнього контактного тис-ку та iнтерференцiйноI картини смуг, знятоI у промеш монохроматичного свiтла. Модельнi перерiзи ущiльнювачiв виготовляли зi спеща-льно розробленого оптично активного матерiа-лу на основi полiуретану. Розрахунок середньо-го контактного тиску у зош ущiльнення здiйс-нювали за формулою:
р =
де Рк - середнш контактний тиск; Р1 - вага ванта-жу; Р - площа контакту зразк1в. Площа контакту:
Р = Ьа,
де Ь - довжина лшй контакту зразюв; а - то-вщина зразюв.
У процесi дослiджень спочатку було виго-товлено i випробувано зразки перерiзiв, що вщ-повщають вiдомiй конструкцiI (див. рис. 2).
Приклад отриманоI iнтерференцiйноI картини смуг при рiзному ступенi навантаження
Рис. 4. 1нтерференцшна картина смуг в модел1 перер1зу ущ1льнювача при дп навантаження, яке приводить до розкриття стику: а) 20 мм; б) 0.1 мм
Аналiз рис.4 (а) показуе наявшсть зон знач-ноI концентрацiI напруження. Найбiльшi на-пруження спостерiгаються у мюцях розташу-вання отворiв. При значнш деформацiI отвори перетворюються у щшини, де теоретичний ко-ефiцiент концентрацй прагне до нескiнченностi. У вершинах щшин матерiал за тривалоI вит-римки пiд навантаженням повинен зруйнувати-ся. При цьому деформацiя зразка по перерiзу отворiв рiзна, що вказуе на рiзну жорсткiсть конструкцп по перерiзу. Розташування отворiв по ош призводить до виникнення великих де-формацiй зсуву у перемичках, яю роздiляють отвори i впадини, що в кiнцевому результатi може визвати 1х руйнування.
Таку картину руйнування спостертали при випробуваннi зразюв ГТВ, виготовлених iз еластомерних матерiалiв, що вiдрiзняються за по-казниками пружно-мiцнiсних властивостей. У вершинах щшин матерiал за тривалоI вит-римки пiд навантаженням повинен зруйнувати-ся. При цьому деформацiя зразка по перерiзу отворiв рiзна, що вказуе на рiзну жорсткiсть конструкцп по перерiзу. Розташування отворiв по ош призводить до виникнення великих деформацш зсуву у перемичках, яю роздiляють отвори i впадини, що в кшцевому результатi може визвати 1х руйнування.
На пiдставi випробувань юнуючих конструкцш ущiльнювачiв дослщжували моделi, що
включають отвори, заглиблення та виступи рiз-номанiтно! конфiгурацi! в рiзному сшввщно-шеннi. Було розроблено моделi ущiльнювачiв, якi не мiстили у поперечному перерiзi отворiв i мали порожнини для перерозподшу матерiалу ущiльнювача при його деформаци в установоч-нш канавцi.
В процесi виконаних випробувань було встановлено необхщне спiввiдношення об'ему матерiалу i вiльних порожнин для забезпечення жорсткостi перерiзу. Всього було випробувано i проаналiзовано 35 моделей. Крiм цього, вказанi моделi були виготовлеш iз гуми i випробуваш для отримання залежностей: зусилля стиску -деформащя стику; питоме контактне напру-ження - деформацiя стику.
Результати цих дослщжень показали, що в дiапазонi розкриття стику 0.. .4 мм ступiнь контактного напруження перевищуе заданий тиск робочого середовища - 6 МПа. Це свщчить, що в даних умовах система буде герметичною. При цьому було встановлено, що ряд розроблених конструкцш мають жорсткiсть бiльшу, нiж в> домi зразки. Це призводить до виникнення зна-чних напруг. Iншi моделi вiдрiзняються малою жорсткiстю i не дозволяють забезпечити герме-тичнють стику при заданому тиску робочого середовища. Проведений аналiз дозволив роз-робити модель ущiльнювача, який мае достат-ню жорсткiсть для задовшьно! роботи стиково-го з'еднання при розкритп стику у заданому дiапазонi 0.4 мм та тиску робочого середовища 0.6 МПа.
За результатами проведених дослщжень бу-ла виготовлена та випробувана експеримен-тальна модель i розширена партiя ущiльнювачiв, якi пройшли успiшнi стендовi випробування.
Таким чином, проведенi дослiдження показали можливють застосування розроблених ме-
тодик для створення конструкцiй nepepi3iB ущiльнювачiв, яю будуть надiйно працювати в неагресивних середовищах, зокрема, для ущь льнення стикiв збiрних оправ тунелiв метропо-лiтенiв.
В результат всього комплексу науково-дослiдних та конструкторсько-технолопчних робiт розроблено матерiали та конструкци ущь льнювачiв, якi використано для герметизаци залiзобетонних блокiв та чавунних тюбiнгiв тунельних обкладинок метро i шахт. Дослщно-промисловi парти створених ГТВ успiшно екс-плуатуються в тунелях Кшвського, Донецького i Днiпропетровського метрополiтенiв, в вугшь-них шахтах Донецького регюну. Це шдтвер-джуе перспективнiсть використання розроблених матерiалiв, конструкцiй i методик для роз-робки ущiльнювальних систем рiзного призна-чення на основi еластомерiв на заданi умови експлуатаци.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Elastomer Joint Tapes and Profiles // «Tunnel»,. 1981, N 3. - P. 194-206.
2. Збiрнi обкладинки компанп «Charson Tunnels» // «Tunnels und Tunneling», 1984, v.10. - №3. -P. 44.
3. Рекламний проспект фiрми «Phoenix», Шмеччи-на, 1986.
4. Александров А. Я. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела / А. Я. Александров, А. Х. Ахметянов. - М.: Наука, 1973. - 575 с.
5. Фрохт М. М. Фотоупругость; в 2-х томах. -М-Л.: Техтеориздат, 1948. - т. 1. - 432 с.
6. Экспериментальная механика: в 2-х кн. / Под ред. М. Кобаяси. - М.: Мир, 1996. - 616 с.
Надшшла до редколеги 22.10.2007.
