CC BY
13УДК 624.131.3
М. А. Еналдиева, М. В. Худоян
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет), Владикавказ, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОЧВОГРУНТА НА ПОГРУЖАЕМЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ АНКЕРЫ С КОНИЧЕСКИМИ И ПОВОРОТНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ
Целью исследований является совершенствование противооползневых сооружений из проволочных анкеров с коническими и поворотными наконечниками. В основе проведенных исследований лежат технические решения, запатентованные в Российской Федерации. Выбраны и проанализированы основные параметры предлагаемых противооползневых сооружений. Для конусного наконечника это величина заглубления, диаметр основания и высота конуса. Для поворотного наконечника это величина заглубления, диаметр и длина цилиндрической части. Исследования проведены с использованием математической теории планирования эксперимента. В качестве параметра оптимизации выбрана сила выдергивания. Составлены матрицы плана проведения исследований анкеров с конусными и поворотными наконечниками. Данный процесс описан в виде математической модели. Рассчитаны коэффициенты регрессии. Адекватность установлена двумя способами: по коэффициенту корреляции и по критерию Фишера. В процессе проведения исследований выполнена проверка адекватности модели по критерию Фишера. Расчетное значение критерия Фишера FR = 1,876, табличное значение критерия Фишера F = 2,637. В связи с тем, что FR < F, уравнение регрессии признано адекватным экспериментальным данным на уровне значимости 0,05, что соответствует доверительной вероятности P = (1 - 0,05) х 100 % = 95,0 %. В процессе изучения коррозионных процессов особое внимание следует уделить почвогрунтам и мероприятиям по уменьшению коррозии проволочных наконечников, выполненных из металла.
Ключевые слова: противооползневое сооружение, анкер с коническим и поворотным наконечником, оптимизация параметров, коэффициент корреляции, статистический критерий, адекватность.
M. A. Enaldieva, M. V. Khudoyan
North Caucasian institute of mining and metallurgy (State technological university), Vladikavkaz, Russian Federation
INFLUENCE OF SOIL STRUCTURE ON SUBMERGED WIRE TIES WITH CONICAL AND SWIVEL TIPS
The aim of research is to improve the anti-landslide structures from wire ties with conical and swivel tips. The research is based on technical solutions patented in the Russian Federation. The main parameters of the proposed landslide structures were selected and analyzed. For a conical tip, this is the depth, the the base diameter and the height of the tip. For the swivel tip, this is the burial depth, diameter and length of the cylindrical part. The research was carried out using the mathematical theory of experiment planning. As an optimization parameter, the pull-out force is selected. The matrices of the plan for the study of ties with conical and swivel tips are compiled. This process is described in the form of correlation coefficient and by the Fisher criterion. In the process of carrying out the research, the adequacy of
the model was tested by the Fisher criterion. The estimated value of the Fisher criterion is FR = 1.876, the table value of the Fisher criterion is F = 2.637. Due to the fact that FR < F, the regression equation was found to be adequate to the experimental data at a significance level of 0.05, which corresponds to the confidence probability P = (1 - 0.05) x 100 % = 95.0 %. In the process of corrosion processes study, special attention should be given to soil grounds and measures to reduce the corrosion of wire ends made of metal.
Key words: anti-landslide structure, anchor with conical and rotary tip, optimization of parameters, correlation coefficient, statistical criterion, adequacy.
Введение. Оползневые процессы грунтов отрицательно влияют на экологическую обстановку, нарушают целостность инженерной и транспортной инфраструктуры, снижают устойчивость объектов недвижимости, безопасность проживания людей.
В настоящее время одним из основных мероприятий по стабилизации оползневых процессов является механическое удержание деформированных в равновесном состоянии грунтов и искусственное их закрепление с помощью проволочных анкеров, которые более эффективны, чем подпорные стенки и откосные крепления [1]. Но при этом они подвержены почвенной коррозии, интенсивность которой зависит от ряда показателей грунтов.
Первый из этих показателей - это влажность грунта. Особо сильное влияние на скорость почвенной коррозии оказывает влажность грунта, способствующая превращению почвы в электролит, что вызывает электрохимическую коррозию металлоконструкций в грунте [2, 3]. Грунт, содержащий влагу, гравитационный, капиллярный, связанный. Особое воздействие на скорость почвенной коррозии оказывает капиллярная влага: высокая скорость при влажности грунта 15-25 % (критический показатель влаги для грунта), этим объясняется снижение омического сопротивления элементов коррозии. Увеличение влажности почвы анодного процесса облегчено (ввиду затруднения пассивации поверхности металла), катодного -затруднено, поскольку грунт, насыщенный влагой, затрудняет его аэрацию. Глинистые грунты насчитывают 12-25 %, песчаные - 10-20 %.
Вторым показателем является пористость, или воздухопроницаемость, грунта, что способствует долгосрочному удержанию влаги и аэра-
ции. Состав грунта влияет на пористость и, как следствие, на его плотность и влажность. Песчаные грунты, пропускающие воздух, являются более агрессивными, катодный процесс в них протекает с облегчением.
Следующий элемент по значимости и силе разрушения металлоконструкций - кислотность грунта. Большинство грунтов имеет рН = 6,0... 7,5. Почвы с рН = 3,0.6,0 именуются высококоррозионными, к ним относятся болотистые грунты, торфяные почвы. Щелочные солончаки и суглинки характеризуются рН = 7,5.9,5. Грунты с содержанием органических кислот (чернозем) обладают высокоагрессивной по отношению к свинцу, стали, меди, цинку средой. Подзол - наиболее агрессивная почва, разрушающая металлоконструкции. Коррозия стали в подзоле происходит в 5 раз быстрее, чем в других грунтах. Почвенная коррозия ускоряется кислотностью грунтов ввиду растворимости вторичных продуктов коррозии по причине возникновения дополнительной катодной деполяризации ионами водорода.
Микроорганизмы почвы делятся на аэробные, существующие только при наличии кислорода, и анаэробные, для обеспечения жизни которых кислород не требуется. Биохимическая коррозия (биокоррозия) - почвенная коррозия погружаемых металлических сооружений (анкеров), вызванная живыми микроорганизмами. Почвенные (аэробные) микроорганизмы действуют по двум направлениям: осаждение железа, окисление серы. Среда с кислотностью рН = 3,0.6,0 является оптимальной для существования анаэробных серобактерий (максимум 10 %), окисляющих сероводород в серу, а затем в серную кислоту.
В связи с этим целью исследований является совершенствование противооползневых сооружений из проволочных анкеров с коническими и поворотными наконечниками, материал которых способен эффективно противостоять почвенной коррозии.
Материалы и методы. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях (рисунки 1, 2). По результатам предвари-
тельных исследований были выбраны основные факторы. В основе исследований лежит активный эксперимент, так как есть возможность активно влиять на основные факторы в соответствии с принятым планом эксперимента [4-6].
Рисунок 1 - Экспериментальная установка (автор фото М. А. Еналдиева)
Рисунок 2 - Эскизные модели поворотных наконечников для проволочных анкеров (автор фото М. А. Еналдиева)
Проанализировав все факторы, можно прийти к выводу, что основными влияющими на эффективную работу являются приведенные кодированные значения факторов (таблицы 1, 2).
Таблица 1 - Уровни варьирования основных факторов анкера с конусным наконечником
В см
Фактор Уровень фактора Интервал варьирования
-1 0 +1
Величина заглубления конусного наконечника X1 20,0 40,0 60,0 20,0
Диаметр основания конуса у конусного наконечника Х2 0,5 1,0 1,5 0,5
Высота конуса у конусного наконечника Х3 1,0 2,0 3,0 1,0
Таблица 2 - Уровни варьирования основных факторов анкера с поворотным наконечником
В см
Фактор Уровень фактора Интервал варьирования
-1 0 +1
Величина заглубления поворотного наконечника X1 20,0 40,0 60,0 20,0
Диаметр цилиндрической части поворотного наконечника Х2 0,5 1,0 1,5 0,5
Длина цилиндрической части поворотного наконечника Х3 4,0 5,5 7,0 1,5
В качестве параметра оптимизации выбрана сила выдергивания.
Для проведения многофакторного эксперимента и выявления математической модели процесса регулирования был реализован рототабельный трехуровневый план Бокса - Бенкина второго порядка, минимизирующий число опытов при одновременном варьировании всех исследуемых факторов, по своим статистическим характеристикам близкий к В -оптимальным планам. Применение таких планов позволяет проанализировать общую картину изучаемого явления, количественно оценить роль факторов и их взаимодействий, провести анализ экспериментов для определения зоны оптимума [6].
Для решения задачи был проведен эксперимент. Матрица плана эксперимента, интервалы и уровни варьирования факторов приведены в таблицах 3 и 4.
Таблица 3 - Матрица плана проведения исследований анкеров
с конусным наконечником
№ опыта Уровень варьирования с эактора Критерий оптимизации
Xо X1 Х2 Xз Площадь Р, см2 Сила выдергивания Р, Н Давление Р / ^, кПа
1 2 3 4 5 6 7 8
1 1 1 1 0 1,77 146 824,8
2 1 -1 1 0 1,77 30 169,5
3 1 0 1 1 1,77 66 372,9
4 1 0 1 -1 1,77 48 271,2
5 1 0 -1 -1 0,20 38 1900,0
6 1 0 -1 1 0,20 28 1400,0
7 1 1 -1 0 0,20 38 1900,0
8 1 -1 -1 0 0,20 18 900,0
9 1 -1 0 1 0,78 42 538,5
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(27), 2017 г., [73-82] Продолжение таблицы 3
1 2 3 4 5 6 7 8
10 1 -1 0 -1 0,78 28 359,0
11 1 1 0 -1 0,78 76 974,4
12 1 1 0 1 0,78 65 833,3
13 1 0 0 0 0,78 56 717,9
14 1 0 0 0 0,78 57 730,8
15 1 0 0 0 0,78 58 743,6
Примечание - Х0 - фиктивный фактор, всегда равный +1.
Таблица 4 - Матрица плана проведения исследований анкеров с поворотным наконечником
№ опыта Уровень варьирования фактора Критерий оптимизации
Хо Х1 Х2 Х3 Площадь Р, см2 Сила выдергивания Р, Н Давление Р / ^, кПа Давление Р / Ь, Н/м х 102
1 1 1 1 0 8,25 210 254,5 38,2
2 1 -1 1 0 8,25 70 84,8 12,7
3 1 0 1 1 10,50 220 209,5 31,4
4 1 0 1 -1 6,00 162 270,0 40,5
5 1 0 -1 -1 2,00 105 525,0 26,2
6 1 0 -1 1 3,50 125 357,0 17,8
7 1 1 -1 0 2,75 145 527,3 26,4
8 1 -1 -1 0 2,75 46 170,4 8,4
9 1 -1 0 1 7,00 66 94,3 9,4
10 1 -1 0 -1 4,00 56 140,0 14,0
11 1 1 0 -1 4,00 96 240,0 24,0
12 1 1 0 1 7,00 220 314,3 31,4
13 1 0 0 0 5,50 130 236,4 23,6
14 1 0 0 0 5,50 135 245,4 24,5
15 1 0 0 0 5,50 125 227,3 22,7
Результаты и обсуждение. Цель эксперимента достигается в результате изменения условий осуществления опытов, т. е. значений факторов. Значения, которые могут принимать факторы, есть их уровни. В нашем планируемом эксперименте уровни факторов заданы заранее [7, 8].
Квадратные модели, описывающие параметр оптимизации, имеют общий вид [5, 6]:
7 = Во + В X +......+ ВпХп + БпХ.12 +......БппХ1 + ВХ2 X X +......
+ Бп1, пХп-1 Хп + В123Х1ХХ3 +......+ Бп,п+1,п +2 ХпХп+1 Хп +2>
где В - свободный член уравнения, т. е. средний выход функции оптимизации;
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(27), 2017 г., [73-82] В ■ ■■Вп - коэффициенты при линейных взаимодействиях; В12 ...Ви и+1 - коэффициенты при парных взаимодействиях; В1 ...Вп„ - коэффициенты при квадратичных эффектах; В123......Вии+1и+2 - коэффициенты при смешанных взаимодействиях с числом переменных выше трех.
Регрессионный анализ проводится по методу наименьших квадратов (МНК).
Определять коэффициенты уравнения регрессии будем в матричной форме [6]. Исходная система уравнений в матричной форме имеет вид:
У = X ■ В,
где X - входная контролируемая переменная.
После преобразований значения коэффициентов уравнения регрессии в матричной форме можно определить по формуле:
В = ^Т X )-1 XТУ,
где X1 - транспонированная матрица.
Разработанное уравнение регрессии для проволочных анкеров с коническими наконечниками, которое адекватно описывает изучаемый процесс, имеет вид:
у = 730,77+320,69X1 - 557,70Х2 - 44,9X3 - -
80,15X1Xз + 150,43X3X3 - 45,96X12 + 263,77X22 - 8,5LXз2 ,
где X, X2, Xз - факторы в кодированном виде.
Разработанное уравнение регрессии для проволочных анкеров с поворотными наконечниками, которое адекватно описывает изучаемый процесс, имеет вид:
у = 236,37 +105,8^^1 -95,11Х2 - 24,99X3 - 46,80X1X2 + 30,00X^3 + 26,88X3X3 - 60,17X12 + 83,05X22 + 20,95Х32 '
Для оценки адекватности полученных регрессионных уравнений проверяют гипотезу Щ об адекватности модели по критерию Фишера [6]. Мо-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(27), 2017 г., [73-82] дель адекватна, если расчетное (опытное) значение критерия Фишера Грасч не превышает его табличного значения Гтшр , при этом И0 -гипотеза принимается и ее можно использовать для дальнейшего статистического анализа и интерпретации результатов эксперимента [9-11].
Выводы. В процессе исследований установлено, что основными факторами, влияющими на эффективную работу проволочных анкеров с конусным наконечником, являются величина заглубления, диаметр основания и высота конуса. Для поворотного наконечника это величина заглубления, диаметр и длина цилиндрической части. Исследования проведены с использованием математической теории планирования эксперимента. В качестве параметра оптимизации выбрана сила выдергивания. Составлены матрицы плана проведения исследований анкеров с конусными и поворотными наконечниками. Данный процесс описан в виде математической модели.
В результате исследований выполнена проверка адекватности модели по критерию Фишера, расчетное значение критерия Фишера ГЯ = 1,876, табличное значение Г = 2,637. В связи с тем, что ГЯ < Г, уравнение регрессии признано адекватным экспериментальным данным на уровне значимости 0,05, что соответствует доверительной вероятности Р = (1 - 0,05) х х 100 % = 95,0 %.
В процессе проведения дальнейших исследований коррозионных процессов особое внимание следует уделить почвогрунтам и мероприятиям по уменьшению коррозии проволочных наконечников, выполненных из металла.
Список использованных источников
1 Пат. 2435906 Российская Федерация, МПК Е 02 Б 17/20. Способ закрепления горных склонов от оползней / Еналдиева М. А.; заявитель и патентообладатель Еналди-ева М. А. - № 2010123161/03; заявл. 07.06.10; опубл. 10.12.11, Бюл. № 34. - 6 с.
2 Кузнецов, Е. В. Сельскохозяйственный мелиоративный комплекс для устойчивого развития агроландшафтов: практикум к проведению лаборатор. работ / Е. В. Кузнецов, А. Е. Хаджиди. - Краснодар: ЭДВИ, 2014. - 200 с.
3 Глушков, Г. И. Расчет сооружений, заглубленных в грунт / Г. И. Глушков. -М.: Стройиздат, 1977. - 175 с.
4 Адлер, Ю. П. Введение в планирование эксперимента / Ю. П. Адлер. - М.: Металлургия, 1969. - 157 с.
5 Сидняев, Н. И. Введение в теорию планирования эксперимента / Н. И. Сидня-ев, Н. Т. Вилисова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 463 с.
6 Власов, К. П. Методы исследований и организация экспериментов / К. П. Власов. - Харьков: Гуманитарный центр, 2013. - 412 с.
7 Васильев, С. М. Противооползневые гибкие подпорные сооружения и оценка конструктивных решений [Электронный ресурс] / С. М. Васильев, Е. А. Акбашева // Современные проблемы науки и образования: электрон. науч. журн. - 2015. - Вып. 1. -С. 419. - Режим доступа: https:science-education.ru/ru/article/view?id=19562.
8 Вознесенский, Н. А. Принятие решений по статистическим моделям / Н. А. Вознесенский, А. Ф. Ковальчук. - М.: Статистика, 1978. - 192 с.
9 Домашенко, Ю. Е. Прогноз местных размывов на сопрягающих сооружениях Донского магистрального канала для предотвращения развития оползневых процессов / Ю. Е. Домашенко, С. М. Васильев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. -2015. - № 110(06). - С. 496-506. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2015/06/pdf/33.pdf.
10 Васильева, Е. В. Повышение эффективности оросительных систем на местном стоке инновационными средствами предупреждения дефектов прудовых плотин / Е. В. Васильева, С. М. Васильев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2015. - № 4(20). - С. 73-84. - Режим доступа: http:ros-niipm-sm.ru/archive?n=366&id=371.
11 Васильев, С. М. Оползни и их проявление на территории Ростовской области / С. М. Васильев, А. В. Акопян // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2016. - № 1(41). - С. 177-184.
References
1 Enaldieva M.A., 2011. Sposob zakrepleniya gornykh sklonov ot opolzney [Method of strengthening mountain slopes from landslides]. Patent RF 2435906 (In Russian).
2 Kuznetsov Ye.V., Khadzhidi A.Ye., 2014. Selskokhozyaystvennyy meliorativnyy kom-pleks dlya ustoychivogo razvitiya agrolandshaftov: praktikum k provedeniyu laboratornykh rabot [Agricultural reclamation complex for sustainable development of agrolandscapes: a workshop for conducting laboratory works]. Krasnodar, EDVI Publ., 200 p. (In Russian).
3 Glushkov G.I., 1977. Raschet sooruzheniy zaglublennykh v grunt [Ground-buried structures calculation]. Moscow, Stroiizdat Publ., 175 p. (In Russian).
4 Adler Yu.P., 1969. Vvedeniye v planirovaniye eksperimenta [Introduction to experiment planning]. Moscow, Metallurgia Publ., 157 p. (In Russian).
5 Sidnyaev N.I., Vilisova N.T., 2011. Vvedeniye v teoriyuplanirovaniya eksperimenta [Introduction into the theory of experimental planning]. Moscow, MSTU after N.Ye. Bauman, 463 p. (In Russian).
6 Vlasov K.P., 2013. Metody issledovaniy i organizatsiya eksperimentov [Methods of research and organization of experiments]. Kharkov, Humanitarian Center, 412 p. (In Russian).
7 Vasiliev S.M., Akbasheva Ye.A., 2015. Protivoopolznevyye gibkiye podpornyye sooruzheniya i otsenka konstruktivnykh resheniy [Anti-landslide flexible retaining structures and evaluation of constructional solutions]. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya: elektron. nauch. zhurn. [Current problems of science and education: electron. sci. journal]. issue 1, 419 p., available: https:science-education.ru/ru/article/view?id=19562. (In Russian).
8 Voznesensky N.A., Kovalchuk A.F., 1978. Prinyatiye resheniypo statisticheskim mode-lyam [Decision-making by statistical models]. Moscow, Statistics Publ., 192 p. (In Russian).
9 DomashenkoYu.Ye., Vasiliev S.M., 2015. Prognoz mestnykh razmyvov na so-pryagayushchikh sooruzheniyakh Donskogo magistralnogo kanala dlya predotvrashcheniya razvitiya opolznevykh protsessov [Prediction of local scours on the conjugating structures of the Don main canal to prevent the development of landslide processes]. Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Polytematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University], no. 110(06), pp. 496-506, available: http:ej.kubagro.ru/2015/06/pdf/33.pdf. (In Russian).
10 Vasilyeva Ye.V., Vasilyev S.M., 2015. Povysheniye effektivnosti orositelnykh sis-tem na mestnom stoke innovatsionnymi sredstvami preduprezhdeniya defektov prudovykh plotin [Increasing the efficiency of irrigation systems on local runoff by innovative means for preventing pond dams defects]. Nauchnyy ZhurnalRossiyskogo NIIProblem Melioratsii [Scientific Journal of Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems], no. 4(20), pp. 73-84, available: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=366&id=371. (In Russian).
11 Vasilyev S.M., Akopyan A. V., 2016. Opolzni i ikh proyavleniye na territorii Ros-tovskoy oblasti [Landslides and their manifestation on the territory of Rostov Region]. Izvesti-ya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa [Bull. of the Nizhnevolzhsk Agro-University Complex], no. 1(41), pp. 177-184. (In Russian).
Еналдиева Мадина Анатольевна
Ученая степень: кандидат технических наук Должность: доцент
Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет) СКГМИ(ГТУ)
Адрес организации: ул. Николаева, 44, г. Владикавказ, Республика Северная Осетия -Алания, Российская Федерация, 362021 E-mail: teodolit68@mail.ru
Enaldieva Madina Anatolievna
Degree: Candidate of Technical Sciences Position: Associate Professor
Affiliation: North Caucasian institute of mining and metallurgy (State technological university) Affiliation address: st. Nikolaeva, 44, Vladikavkaz, Republic of North Ossetia - Alania, Russian Federation, 362021 E-mail: teodolit68@mail.ru
Худоян Марина Валерьевна
Ученая степень: кандидат технических наук Должность: доцент
Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет) СКГМИ(ГТУ)
Адрес организации: ул. Николаева, 44, г. Владикавказ, Республика Северная Осетия -Алания, Российская Федерация, 362021 E-mail: teodolit68@mail.ru
Khudoyan Marina Valerievna
Degree: Candidate of Technical Sciences Position: Associate Professor
Affiliation: North Caucasian institute of mining and metallurgy (State technological university) Affiliation address: st. Nikolaeva, 44, Vladikavkaz, Republic of North Ossetia - Alania, Russian Federation, 362021 E-mail: khoudoyanmarina@mail.ru
