Рациональные структуры противооползневых конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Таблица 3

Результаты комплексных исследований глин

Глина Давление автоклавирования, МПа Коэффициент кристалличности, % Время истечения, с Коэффициент загустеваемо-сти Пределы текучести, Па

Условно статический Условно динамический

Лукошкинская 0 22,5 8,8 1,02 8 15

0,2 30,9 8,5 1,12 7,7 15,8

1,0 24,9 7,6 1,00 7,1 11

Веселовская 0 38,1 - - 21,9 48

0,2 30,3 - - 18,5 38

1,0 35,6 99 1,76 14,8 27

Городищенская 0 16,9 5,2 1,00 0,57 1

0,2 21,9 5 1,02 0,57 1

1,0 15,9 5 1,02 0,28 1

Кембрийская 0 21,6 7,8 1,03 8,8 13

0,2 18,1 8,8 1,25 8,3 13

1,0 26,9 8 1,00 9 11

Малоархангельская 0 27,7 7 1,03 5,1 11

0,2 21,9 6,3 1,02 3,7 8

1,0 23,1 6,6 1,06 6,8 10

Литература

1. Боженов П.И., Глибина И.В., Григорьев Б.А. Строительная керамика из побочных продуктов промышленности. М., 1986.

2. Евтушенко Е.И., Кравцов Е.И., Кащеева И.Ю., Сыса О.К.

Структурная неустойчивость глинистого сырья // Стекло и керамика. 2004. № 5. С. 23-25.

3. Гончаров Ю.И., Дороганов Е.А., Жидов К.В. Минералогия и особенности реологии глин каолинит-иллитового состава // Стекло и керамика. 2003. № 1. С. 19-23.

4. Масленникова Г.Н., Солодкий Н.Ф., Солодкая М.Н., Шамриков А. С. Использование каолинов различных месторождений в производстве тонкой керамики // Стекло и керамика. 2004. № 8. С. 14-24.

В своей творческой деятельности человек неосознанно, интуитивно, либо подражательно по внешним признакам, либо при использовании различных математических моделей повторяет меха-

5. Гончаров Ю.И., Дороганов Е.А., Перетокина Н.А. Исследование реологических характеристик модельной системы каолин-Я(К2)804 // Изв. вузов. Строительство. 2004. № 6. С. 35-41.

6. Шамшуров А.В. Технология низкообжиговой тротуарной плитки на основе кварцевых пород: Дис. ... канд. техн. наук. Белгород, 2004.

7. Куковский Е.Г. Особенности строения и физико-химические свойства глинистых минералов. Киев, 1966.

8. Структурообразование в дисперсных слоистых силикатах / Под ред. С.П. Ничипоренко. Киев, 1978.

9. Браун Г. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов. М., 1965.

г.

низм творчески-конструктивной деятельности естественного отбора, основанного на селекции случайных мутаций. Примером тому служит, например, вариантное проектирование несущих конструкций.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 7 ноября 2005

УДК 624.04

РАЦИОНАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

© 2006 г. Г.В. Васильков, А.А. Решетников

В статье, которая является продолжением цикла работ, посвященных эволюционным задачам проектирования геотехнических сооружений (например, [1, 2]), рассмотрены некоторые результаты определения рациональных структур противооползневых конструкций.

На период проектирования геотехнических сооружений будем предполагать, что грунтовый массив представляет собой самоорганизующуюся систему, наделенную свойством обмена веществ так, что внутри и на границе ее могут формироваться элементы с повышенным модулем деформаций, а в целом вся система развивается в направлении гомеостатичности. Как обычно для задач механики предполагается, что гомеостазис определяется стремлением к изоэнерге-тичности, э ^ э н. При решении используется дискретное отображение нелинейной задачи морфодина-мики, моделирующее эволюционный процесс [3]:

К "qn =P'

Ui

= U"lvr

E"+1 = э

-1

Er , Er £ [E гр , E с

(1)

U"+1 - U

1|/min{Un+1,U"} .

Нормируемая плотность энергии деформаций существенно зависит от физических и геометрических параметров внутренней среды и внешних воздействий. Предугадать эту величину априори в двумерных, трехмерных задачах практически невозможно. В соответствии с концепцией естественного отбора в теории эволюции - сохраняются наиболее приспособленные самоорганизующиеся системы, в математической модели необходимо для итоговых структур обеспечить существование элементов без разрушений или отклонений от нормы, т.е. максимальные по абсолютной величине компоненты НДС должны бать меньше или равны нормируемым, найденным экспериментально. Обозначим нормируемые величины символом

а н = н , Т н , е н , У н , и н , Vн , ™ н, Рж"...}.

Значения этих величин в итоговых структурах должны быть: | а |< ан. Для определения интервальной константы эн организуем двухцикловой эволюционный процесс. Во внутреннем цикле определяется рациональная структура при некотором заданном значении эн, а затем во внешнем цикле величина эн уточняется до стабилизации с заданной погрешно-

стью. Определим коэффициенты пропорциональности между величинами |а| в итоговом состоянии и плотности э т (т - номер шага внешнего цикла)

Ртт _, о т | | / т \ -1

эн =| а |(эн ) .

Будущий желательный результат должен быть таким: а н =рэт+1.

Величина в неизвестна, поэтому приближенно примем ее равной вт, т.е. с запаздыванием на один шаг внешнего цикла. Тогда

I | / т \ -1 т+1 _. т+1 | 1-1 т /г\ \

ан =|а |(эн ) эн ^ эн = ан | а | эн . (2)

Из всех величин, вычисленных по (2), для следующего шага выбирается наименьшая.

После объединения (1) и (2) последовательность операций двухциклового дискретного отображения имеет вид:

= pm,n

где К, q и Р - ОМЖ, векторы узловых перемещений и сил; иг, Уг - потенциальная энергия деформаций и объем г-го КЭ; Ег - модуль деформации в г-м КЭ; э, эн -текущая и нормируемая плотность энергии деформаций. На варьируемый модуль деформации накладываются ограничения: нижняя граница - модуль грунта -Егр, верхняя - секущий модуль материала с повышенными прочностными свойствами - Есек. Окончание счета по (1) регламентируется заданной погрешностью определения потенциальной энергии деформации для всей системы

E т,"+1 _ т," E r = э r

„ m+1

эн = a н

(э т)-1 ЕГ

U'r

, E £ [E гр , E сек

эт+1 = inf энт+1(а н).

(3)

При постановке задачи предполагается, что подстилающие слои древних отложений имеют повышенные прочностные характеристики, а верхний слой (осадочные горные породы) обладает модулем деформации значительно меньше нижнего. Рассматривается часть области между замковыми сечениями линейных антиклинали и синклинали. В расчетной схеме предполагается, что нижние слои имеют пренебрежимо малую деформативность, поэтому расчету подвергается только верхний слой, опирающийся на несжимаемое основание. Решение последовательности линеаризованных задач плоской деформации производится МКЭ, конечные элементы - треугольные с шестью степенями свободы.

Задача 1. Для проекта противооползневых мероприятий методами ТАЭМС определить скелетную часть внутри грунта для механического удержания земляных объемов (рис. 1). Характеристики грунта [4]: Егр= 8 МПа, Лгр=200кПа, коэффициент Пуассона V = 0,3; объемный вес у = 18 кН/м3, нормируемая плотность потенциальной энергии деформаций э н = кК2, /2Егр = 0,0025 МДж/м3.

Верхняя граница варьируемого параметра Е принимается для бетона В15 - Еб,сек= 8500МПа, Кь = 8,5МПа [5], Vб=0,2. Порядок системы уравнений МКЭ - 6180. На рис. 1б показана итоговая структура верхнего слоя грунта, в которой области с повышенным модулем деформации затемнены.

Система, наделенная способностью обмена веществ, сгенерировала внутри себя скелетные элементы - спикулы, характерные для некоторых беспозвоночных организмов. По направлению двух больших

н

спикул (на рис. 1б обведены пунктирной линией) предлагается запроектировать подпорные стенки, выполненные, например, из буронабивных свай. После устройства подпорных стенок (рис. 1в) проведен поверочный расчет.

в

Рис. 1

В табл. 1 приведены наибольшие по модулю перемещения и напряжения в двух вариантах. Обнаружено, что вертикальные и горизонтальные перемещения, горизонтальные нормальные напряжения, вызывающие оползневые эффекты, уменьшились на 20-40 %.

Таблица 1

Компоненты НДС оползневого склона

Наименование и, см v, см ох, МПа оу, МПа

Без удерживающих устройств 6,92 11,0 -0,054 -0,219

Два ряда свай 5,38 8,36 -0,053 -0,138

Задача 2. При постановке задачи предполагается, что подстилающие слои древних отложений имеют повышенные прочностные характеристики, а верхний слой (осадочные горные породы) имеет модуль деформации значительно меньше нижнего (рис. 2а). Протяженность рассматриваемой области 75 м. Характеристики грунта [4]: 1) верхний слой сложен пылевато-глинистыми грунтами, Егр = 8 МПа,

Ягр = 200 кПа, коэффициент Пуассона V = 0,3, объемный вес у = 18 кН/м3, нормируемая плотность энергии принимается как часть предельной при одноосном сжатии эн = кЯ2/2Егр = 0,0025МДж/м3; 2) подстилающий слой сложен крупнообломочными горными породами, Е2 = 100 МПа, Я2 = 600 кПа, коэффициент Пуассона V2 = 0,24, объемный вес у2 = 20 кН/м3. Верхняя граница варьируемого параметра Е принимается для бетона В15 - Ебсек = 8500 МПа, Яь = 8,5 МПа [5], Vб = 0,2.

Методами теории адаптивной эволюции определяется скелетная часть внутри грунта для механического удержания земляных объемов. Оптимизации подвергается только верхний слой, сложенный слабыми грунтами. При счете по (1) потребовалось 109 итераций; порядок системы уравнений МКЭ - 12662. Погрешность изменения ПЭД принята равной ц = 0,05 %.

В оптимизированной схеме закрепленные участки -спикулы - образовались в основном на границе двух слоев (рис. 2 б). Предлагается выполнить удерживающее устройство по направлению наиболее развитой спикулы в виде ряда буронабивных свай (рис. 2в).

в

Рис. 2

В табл. 2 приведены наибольшие по модулю перемещения и напряжения в двух вариантах. Обнару-

жено, что вертикальные и горизонтальные перемещения, горизонтальные нормальные напряжения, вызывающие оползневые эффекты, уменьшились на 20-40 %.

Таблица 2

Компоненты НДС оползневого склона с подстилающим слоем

Наименование и, см v, см ох, МПа ау, МПа

Без удерживающих устройств 9,0 22,0 0,06 0,204

Один ряд свай 6,9 15,3 0,05 0,159

в

Рис. 3

Если продолжить эволюцию в огрубленной схеме (с буронабивными сваями), то получится следующая картина. Рядом с удерживающей стенкой образовалась новая спикула меньших размеров. Так же образовался упрочненный участок на верхней границе двух слоев, как бы способствующий их «склеиванию» (рис. 3 а). При огрублении схемы предлагается установить ряд свай и по направлению второй спикулы (рис. 3б).

Видимо, если позволить процессу эволюции продолжаться каждый раз в огрубленной схеме, то на каком-то промежуточном этапе рассматриваемый оползневой склон будет закреплен системой спикул, напоминающих ребра позвоночных животных. Так, например, при эволюции огрубленной схемы рис. 3б появилась картина закрепления, представленная на рис. 3в. Рядом с установленными сваями ниже по склону образуются дополнительные упрочненные участки. Существующие буронабивные сваи связываются между собой, образуя подобие рамы (аналог в живой природе - кутикулы).

В заключение отметим, что теория адаптивной эволюции механических систем позволяет получить рациональную структуру удерживающих сооружений оползневых склонов, координаты расположения свай. После определения структуры системы можно провести поверочные расчеты в соответствии с существующими рекомендациями, методиками, нормами.

Литература

1. Васильков Г.В., Решетников А.А. Эволюционные задачи строительства подземных сооружений // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Актуальные проблемы архитектуры и строительства (Спецвыпуск). 2004. С. 14-19.

2. Васильков Г.В., Забара Ю.А. Эволюционные задачи фун-даментостроения. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Приложение. № 1. С. 95-100.

3. Васильков Г. В. Эволюционные задачи строительной механики. Синергетическая парадигма. Ростов н/Д, 2003.

4. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. М., 2000.

5. СНиП 2.03.01-84 Бетонные и железобетонные конструкции. М., 1984.

Ростовский государственный строительный университет 22 декабря 2005 г.