автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Конструктивно-технологические решения для водоупорных элементов гидротехнических сооружений мерзлого типа с использованием льдогрунтовых композитов

На правах рукописи ¥

ВАСИЛЬЕВ Николай Константинович

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ВОДОУПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ МЕРЗЛОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЬДОГРУНТОВЫХ КОМПОЗИТОВ

Специальность: 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени уу^

кандидата технических наук Э

Санкт-Петербург 2013

005543227

005543227

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева» (ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева»)

Научный руководитель:

Шаталина Ирэн Николаевна, кандидат технических наук

Официальные оппоненты:

Давиденко Вячеслав Михайлович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник отдела «Диагностика сооружений, механического оборудования и сопровождения спецработ» Открытого акционерного общества «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б. Е. Веденеева»

Синяков Леонид Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство уникальных зданий и сооружений» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО СПбГПУ)

Ведущая организация:

Нижегородский государственный архитектурно-строительный

университет

Защита состоится «¿7 » 2013 г. в ^ часов на заседании

объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 при ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» по адресу 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева»

г

Автореферат разослан »¿¿АЛ^ь^ 2013 г.

Ученый секретарь Т. В. Иванова

диссертационного совета кандидат технических наук

Актуальность темы работы

Анализ всех видов аварий грунтовых плотин в северной строительно-климатической зоне (ССКЗ) показывает, что наиболее опасными и часто наблюдаемыми ситуациями являются снижение несущей способности и водонепроницаемости конструкций водоупорных элементов при повышении температуры или при периодическом замерзании и оттаивании вплоть до полной потери прочности и противофильтрационной устойчивости. Такие конструкции грунтовых плотин, как оголовки, сопряжения с основанием и бортовые примыкания подвержены промерзанию - оттаиванию с возможностью развития опасных криогенных процессов с потерей водонепроницаемости водоупорных элементов. Вместе с тем, опыт эксплуатации конструкций гидротехнических сооружений (ГТС) из мерзлого грунта и льда позволяет утверждать, что при определенных условиях технически возможны конструктивно-технологические решения, при которых использование мерзлых грунтов и льда не приводит к снижению их эксплуатационной надежности. Одним из таких эффективных конструктивно-технологических решений является создание конструкций на основе композиционных материалов - ледяных и льдогрунтовых композитов. Эти конструктивно-технологические решения позволяют значительно повысить сроки безопасной эксплуатации мерзлых плотин и ледяных конструкций для проведения работ со льда в гидротехническом строительстве на Арктическом шельфе и для создания ледяных переправ, причалов и других временных ГТС. Разработка надежных конструкций ГТС с максимальным учетом природных условий и использованием местных материалов, достигаемая конструктивно-технологическими решениями с применением ледяных и льдогрунтовых материалов, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы

Цель работы — разработка надежных усовершенствованных конструкций водоупорных элементов ГТС мерзлого типа с использованием ледяных и льдогрунтовых композитов.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обобщение и анализ существующих конструкций и технологий по возведению водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа и временных ГТС в ССКЗ.

2. Научное обоснование конструктивно-технологических решений, направленных на повышение надежности водоупорных элементов и конструкций ГТС мерзлого типа с использованием ледяных и льдогрунтовых композитов.

3. Исследование ледяных и криогелевых льдогрунтовых композитов и регулирование их свойств в зависимости от назначения конструкции ГТС.

4. Разработка надежных конструкций льдогрунтовых водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа с использованием криоге-

1

V?

левых льдогрунтовых композитов, обладающих высокой фильтрационной прочностью.

5. Усовершенствование конструкций временных ГТС из льда (при проведении строительных работ, ледяных причалов, переправ) и удлинение сроков их безопасной эксплуатации.

Научная новизна:

1. В разработке конструкций водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа из криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокой фильтрационной прочностью при замораживании-оттаивании.

2. В проектировании конструкционных и технологических схем создания надежных водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа и конструкций ГТС с использованием криогелевых льдогрунтовых композитов на основе поливинилового спирта (ПВС).

3. В разработке конструктивно-технологических решений применения армированных льдокомпозитов в конструкциях временных ледовых ГТС, удлинения сроков безопасной эксплуатации и повышения несущей способности.

Все разработки выполнены автором диссертации впервые, многие из них подтверждены патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту:

конструктивно-технологические решения для создания надежных водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа на основе криогелевых льдогрунтовых композитов;

усовершенствованные конструкции временных ледовых ГТС с удлиненными сроками безопасной эксплуатации и повышенной несущей способностью, и способы их возведения из ледяных и льдогрунтовых композитов;

технология получения и состав криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокими прочностными и противофильтрационными свойствами в мерзлом состоянии, при оттаивании и воздействии знакопеременных температур.

Методы исследований

Работа носит расчетно-экспериментальный характер и выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ, стандартные и специальные экспериментальные методы определения физико-механических свойств создаваемых композитов и математическую обработку полученных результатов.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований, проведенных в соответствии с государственными стандартами и рекомендациями нормативных документов, корректностью применения апробированного в научной практике исследовательского и аналитического аппарата и сопоставлением 2

результатов исследования с данными зарубежного и отечественного опыта. В работе применены математические методы статистической обработки результатов экспериментов.

Практическая значимость и реализация работы

Разработанные новые конструкции противофильтрационных элементов (ПФЭ) грунтовых плотин: мерзлотных завес, экранов, ядер на основе криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокой фильтрационной прочностью при оттаивании в летний период и в условиях знакопеременных температур, обеспечивают надежную работу водоупорных элементов грунтовых плотин и дамб. Новые конструктивно-технологические решения для временных ГТС из льда позволяют повысить их несущую способность и удлинить сроки безопасной эксплуатации.

Разработанные конструкции применимы для гидроизолирующих покрытий ложа и дамб золоотвалов, в транспортном и гидротехническом строительстве на Арктическом шельфе (ледяные аэродромы, ледовые острова для бурения).

Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, были использованы в составе проекта «Разработать технологию круглогодичного строительства земляных сооружений для низконапорных гидроузлов в северных условиях» (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева), в научно-техническом проекте «Разработка способов улучшения эксплуатационных характеристик ледяных аэродромных покрытий и ледовых аэродромов» организации «Ленаэропроект» (акт внедрения).

Разработанные способы создания ледяных и льдогрунтовых композитов с требуемыми для применения в конструкциях ГТС физико-механическими свойствами, составы и конструкции защищены авторскими свидетельствами и патентами, имеются акты использования изобретений.

Личный вклад автора

Личное участие автора состоит: в разработке новых надежных конструкций ПФЭ грунтовых плотин мерзлого типа и конструкций временных ГТС, в разработке конструктивно-технологических решений и схем создания конструкций из ледяных и льдогрунтовых композитов; в проведении исследований физико-механических свойств ледяных и льдогрунтовых композитов; в обработке и анализе экспериментальных данных.

Публикации и апробация работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 19 печатных работах, из которых 9 - авторские свидетельства и патенты на изобретения. Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях: «Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера» (г. Красноярск, 1986 г.), «Ледотер-мические проблемы в северном гидротехническом строительстве и вопросы продления навигации» (г. Архангельск, 1987 г.), «Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый режим рек и окружающую

среду. Лед-89» (г. Дивногорск, 1989г.), на международных конференциях по портовой и океанической технике в арктических условиях (РОАС) в 2003, 2009, 2011 гг., на симпозиуме «Последние исследования, достижения и технологии укрепления грунтов» (IS-GI Brussels-2012), на 6-ой и 7-ой конференциях «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (СПб, 2011 г., 2012 г.), на конференции «Полярная механика-2012» (г.Новосибирск) и на международном симпозиуме МАГИ по льду (IAHR - 10) в г. Лахти, Финляндия, в 2010 году.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 148 страниц сквозной нумерации, включая 49 рисунков, 10 таблиц и приложение.

Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории Статических исследований механики грунтов ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» за помощь при выполнении отдельных экспериментов, особо отмечает неоценимую помощь A.A. Иванова и В.О. Сая; д.х.н., проф. В.И. Лозинскому, д.т.н. В.И. Моисееву, д.т.н., проф. В.Н. Жиленкову за консультации и ценные советы, высказанные при обсуждении отдельных этапов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, указана основная цель исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ современного состояния проблемы исследований, рассмотрены особенности работы конструкций ГТС, расположенных в ССКЗ и эксплуатируемых в мерзлом состоянии. Вопросами строительства в ССКЗ и разработкой конструкций водоупорных элементов грунтовых плотин и временных ГТС занимались и занимаются ведущие гидротехники страны: В.И.Белан, Г.Ф.Биянов, В.А.Вайкум, К.Ф.Войтковский, С.С.Вялов, В.Б.Глаговский, А.Л.Гольдин, В.М.Да-виденко, В.Н.Жиленков, Ю.К.Зарецкий, П.Л.Иванов, А.А.Каган, Н.Ф.Кри-воногова, Я.А.Кроник, Л.И.Кудояров, В.С.Кузнецов, В.Л.Куперман, Е.Д.Лосев, В.Д.Макаров, И.А.Максимов, В.Г.Мельник, В.А.Мельников, И.С.Моисеев, Н.А.Мухетдинов, Ю.Н.Мызников, М.П.Павчич, С.И.Панов, Б.В.Проскуряков, В.Н.Придорогин, В.Г.Радченко, Л.А.Розин, Л.Н.Рас-сказов, Д.Д.Сапегин, В.И.Телешев, В.В.Тетельмин, В.А.Турчина, Н.А.Цы-тович, С.Б.Ухов, В.И.Федосеев, М.П.Федоров, В.Н.Фрумкин, А.М.Цвик, Р.В.Чжан, И.Н.Шаталина, И.Н.Шишов, В.П.Ягин.

Анализ причин высокой аварийности грунтовых плотин мерзлого типа показывает, что в большинстве случаев разрушения обусловлены конструктивно-технологическими особенностями ПФЭ. Наиболее опасными нарушениями являются снижение прочности мерзлых грунтов при повышении температуры, нарушение водонепроницаемости мерзлых

грунтов тела плотины, ПФЭ и веч померзлого оснонания вплоть до полной потери противофилмрационной устойчивости при их оттаивании или воздействии переменных температур. Зоны возможных нарушений ПФЭ грунтовых плотин показана на рис. I.

Рис.1. Зоны наиболее вероятных нарушений фильтрационной прочности

ПФЭ грунтовых плотни: 1 - тоны в оголовках грунто»ых плотин (мороюбойные трещины, потери прочности при переменных температурах м др.); 2 - возможные горизонтальные трещины в оголовках и счет «арочного» эффекта. 3 - юны сопряжения мермогной завесы с основанием.

4 - бортовые примыкания. 5 - зоны возможного нссмыкания льдогрунтовых цилиндров

мерзлотной завесы

Приведены патентный и литературный обзоры применяемых на практике методов создания конструкций из ледяных и льдогрунтовых композитов. Сформулированы и обоснованы основные задачи исследований. решаемые в диссертационной работе.

И результате анализа современного состояния проблемы исследований по повышению надежности конструкций ГТС мерзлого типа выявлено, что:

1. Применение в грунтовых плотинах мерзлого типа конструкций ПФЭ из нефунтовых материалов (пленочных экранов, бетонных, асфальтобетонных диафрагм) не всегда устраняет проблемы потери противо-филырационной надежности сопряжений различных по свойствам материалов, характеризуется снижением эксплуатационных характеристик ПФЭ при многократном промерзании и оттаивании.

2. Разработки конструктивно-технологических решений по устройству, ремонту и реконструкции ПФЭ с использованием конструкций из криогелевых льдогрунтовых композитов в сочетании с сезонно-охлаж-даюшими устройствами (СОУ) перспективны для повышения надежности грунтовых плотин мерзлого типа.

3. Разработки конструкций из армированного льда и ледяных композитов смогут позволить существенно повысить эффективность работы временных ГТС из льда и увеличить сроки их безопасной эксплуатации

4. Применение конструкций из ледяных и льдогрунтовых композитов сдерживается недостаточной разработанностью методов и технологии их создания.

Во второй главе рассмотрены основы создания элементов композитных конструкций с заданными свойствами, прогнозирование свойств, исходя из положений механики композиционных материалов, и дано научное обоснование выбора входящих в композитную конструкцию компонентов.

Еще в 60-е годы прощлого столетия была показана возможность упрочнения льда высокомолекулярными соединениями, обладающими растворимостью в воде, предназначенной для намораживания льда, экологической безопасностью, упрочняющим воздействием на хрупкую ледяную матрицу посредством создания в ней непрерывной сетки пластичной фазы, состоящей из макромолекул полимера. Полученные автором экспериментальные данные по прочности ледяных композитов на основе водорастворимых полимерных соединений показали, что наибольшей армирующей способностью для льда обладает ПВС.

Определяющим фактором выбора ПВС, широко используемого в промышленности экологически чистого материала в качестве основного компонента для льдогрунтовых композитов является способность ПВС создавать гель при положительных температурах и криогель в процессах замораживания — оттаивания. С увеличением количества циклов замораживания — оттаивания криогеля улучшаются его механические свойства: увеличиваются прочность и упругость, усиливаются адгезионные свойства сцепления. Водонерастворимость ПВС достигается «закрепителями» - соединениями бора и некоторыми другими неорганическими соединениями.

В конструкциях временных ГТС из льда материалами армирования являются древесные, стеклянные и растительные волокна.

В третьей главе представлены результаты исследований физико-механических свойств различных видов разработанных автором ледяных и льдогрунтовых композитов для применения их в грунтовых плотинах и во временных ледяных сооружениях ГТС.

Для проведения экспериментальных исследований использовалось современное высокоточное оборудование Лаборатории статических исследований механики грунтов ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». Основное внимание было уделено определению прочностных свойств композитов и противофильтрационных свойств криогелевых льдогрунтовых композитов при их оттаивании и при воздействии знакопеременных температур.

Прочностные характеристики криогелевых грунтовых композитов, как в мерзлом, так и в талом состояниях, испытывались методом однопло-

скостного среза в соответствии с принципами, изложенными в ГОСТ 12248-2010. Испытания по определению прочности при изгибе ледяных композитов проводились в соответствии с ГОСТ 310.4-81. Для создаваемых ледяных и льдогрунтовых композитов в качестве основного метода выбран метод сравнения характеристик созданных композитов с эталоном, в качестве которого служили контрольные образцы льда, выращенные и испытанные в идентичных условиях с исследуемым композитом. Для определения Кф слабоводопроницаемых материалов, к которым относятся криогелевые композиты, использовалась методика измерения объема воды, профильтрованной через образец на стадии установившейся фильтрации при постоянном градиенте напора и обжатии образца всесторонним давлением. Опыты по определению теплопроводности композитов проведены по ГОСТ 7076-99. Статистическая обработка результатов испытаний проводилась в соответствии с ГОСТ 20522-96.

В испытаниях криогелевых грунтовых композитов определялись их физико-механические свойства при различных количествах циклов замерзания - оттаивания, при варьировании содержания входящих компонентов и параметров испытаний: температуры, нагрузок, скорости деформации. Содержание ПВС в исходном водном растворе изменялось от 4 до 10 вес.% при постоянном отношении борной кислоты и ПВС (1:10) в растворе и постоянном отношении объема раствора к дисперсному наполнителю 1:5 (в некоторых сериях испытаний это соотношение варьировалось от 1:4 до 1:7). В качестве дисперсного наполнителя использовался мелкий песок с преобладающей фракцией 0,1 - 0,25 мм. Испытаниями установлены снижение водопроницаемости и рост прочностных характеристик криогелевых льдогрунтовых композитов с повышением содержания ПВС и количества циклов «замораживания - оттаивания». При оттаивании композиты сохраняют прочностные и водоупорные свойства, в отличие от неармиро-ванного контрольного грунта, который их полностью теряет.

В мерзлом состоянии криогелевые льдогрунтовые композиты, как и все мерзлые грунты, являются водоупорами. При оттаивании коэффициент фильтрации криогелевых грунтовых композитов составил 10~8— 10"9 см/сек.

На рис. 2 приведены диаграммы среза. Установлено, что криогелевые льдогрунтовые композиты при оттаивании имеют высокую пластичность и способность к самозалечиванию трещин. Высокую пластичность криогелевых композитов иллюстрирует рис. 3. В мерзлом состоянии исследуемые криогелевые композиты достаточно пластичны за счет образования в ледяных включениях мерзлого грунта непрерывной сетки пластичной фазы из макромолекул полимера ПВС. Диапазоны регулирования физико-механических свойств криогелевых грунтовых композитов представлены в таблице для мерзлого и талого состояний.

На основании проведенного комплекса исследований оптимальными концентрациями содержания ПВС в криогелевом грунтовом композите

следует считать концентрации от 1,5% до 2,0%, что соответствует концентрации ПВС в водном растворе от 7,0 до 10%. Увеличение концентрации ПВС в водном растворе более 10% не приводит к заметному росту прочностных характеристик криогелевых фунтовых композитов и сопровождается заметным повышением вязкости раствора, что нежелательно с технологической точки зрения удобоукладываемости смеси. Снизить содержание ПВС с понижением вязкости исходной смеси и с повышением теплоизолирующих свойств криогелевых фунтовых композитов возможно добавлением поверхностно-активных веществ (ПАВ). Определен рациональный состав пористого криотелевого льдофунтового композита, получаемого при перемешивании. Состав состоит из 70 - 75% дисперсного фунта (наполнителя) и 25 - 30% водного раствора ПВС, включающего ПВС (8 -12%). «закрепитель» - борную кислоту (0,8 -1,2), пластификатор глицерин (I - 3%) и пенообразователь - ПАВ (0,2 - 1,0%).

1200 1000

я

"3 мо

«00 «00 200 0

.....

• Рт

/ • \

\ —

/ \

« •

«. *

Г

Рис. 2. Днзфаммы среза: «напряжение - деформация» пористого криогелсвого льдокомпозита и льда при вертикальном давлении 100 кПа (слева - в мер пом состоянии при температуре -15 "С; справа - в талом состоянии после оттай пани* при +20 *С)

Рис. 3. Образец криотелевого фунтового композита после оттаивания, (слева - перел приложением изгибающего усилия, справа - при приложении)

Таблица

Характеристики криш слепых I рун юных комшшшшн мерзлом н та.юх| состояниях

Мерзлое состояние Тало: состояние

Свойства лед крногслсный грунтовый композит песок

Прочность при срезе, т. МПа 0,5 - 0,7 0,7- \а - -

Угол внутреннего - - 22-30 22- 25

трения. 1рад

Сцепление, МПа - — 0,01 -0,05 0

Модуль деформации, МПа 3000 - 5000 2000- 3000 0,5 - 5.0 20- 40

Водопроницаемость, м/с - - 10«- ю" 10"4 - ю-5

Плотность, кг/м' 910-930 1240- 1650 12401650 1600- 1750

Влажность, % 100 14 - 25 14-25 7- 10

Плотность скелета, кг/м' 0 990- 1440 9901440 1450- 1630

Теплопроводность, Вт/м 1рад 22 0.25 1,1 0,3 - 0,5 0,6- и

Проведенные исследования установили положительное влияние незначительных количеств добавления сульфата натрия (Ыа^БО*) в раствор ПВС. Присутствие в растворе ГШС сульфата натрия (№>50<). 0,25 - 0,5 вес. % позволило уменьшить концентрацию ПВС в растворе с 10% до 8%, причем водопроницаемость композита в талом состоянии достигла 10 9 см/с с сохранением пластичных свойств.

По своим экспериментально определенным свойствам криогелевые грунтовые композиты эффективны для создания конструкций и водоупорных элементов ГТС мерзлого типа.

Для разработки конструкций временных ГТС из льда проведены исследования по упрочнению льда твердыми дисперсными частицами: глины. песка, мелкого 1равия, керамзита, кристаллогидратами солей (эвтектические композиции) и по регулированию их теплофизичссклх свойств воздушными включениями. Из полученных данных следует, что в конструкциях изо льда, упрочненного дисперсными частицами, необходимо стремиться к использованию более мелких дисперсных частиц и высокому их содержанию (рис.4).

Проведенные испытания на изгиб льдокомпозитов, армированных короткими волокнами, показали, что их разрушение сопроюждается множественным растрескиванием матрицы (льда) с последующем адгезионно-когезионным выдергиванием волокон из матрицы, так как деформация волокон при их разрыве, как правило, больше аналогичной деформации для льда. В армированных волокнами композитах процесс разрушения сдерживается адгезионным сцеплением волокон со льдом.

а)

\ \

б)

3*

о 2 о 3 □ 4 л 5

Г <5

I

О

6 d I

20 40

60 А%

Рис. 4. Относительная прочность к при изгибе ледяных композитов в зависимости: а - от среднего размера дисперсных частиц d, б - от весового содержания частиц f2 (температура испытаний -20°С) I - лсд без добавок, 2-6 - лыокомпозиты с частицами 2 - керамзита cfc5 мм. /г -30%;

3 - мелкого гравия. ¿t=3 мм,/- 74%, 4 - песка крупного. d=l.lим./} =78%.

5 - песка мелкого, ä =0,2 мм,/ =80%. 6 -глины, 7 мкм,/} =72%

В связи с послойной технологией намораживания льда для создания временных ледяных ГТС практический интерес представляет плоскостная хаотическая укладка волокон в плоскости намораживания слоев. Для этого расположения волокон длиной менее критической длины /с, определяемой соотношением /с = a2d / 2т, и при их объемном содержании Ф2 < 0,25 определены зависимости прочности при изгибе льдокомпозитов от температуры, содержания волокон и отношения / длины волокон к d диаметру:

ос - 1,4 (1 + 0,07 I /1) (I - Ф2)+ КI / 10 63 Ф2 l/d,

где о, - предел прочности композита при изгибе в МПа,| /1 - модуль температуры в °С, о2 - прочность армирующих волокон; т - адгезионная прочность связи волокна и матрицы, коэффициент К ~ 0,23 и К 0,36 для стеклянных и древесных волокон, соответственно.

С увеличением содержания волокон Ф2 возрастает отличие прочности композита от прочности, рассчитанной из закона смеси При содержании волокна выше Ф2„. для волокон в ледяной матрице ее значение 0,4 -0,45, прочность композита резко падает, что обусловлено нехваткой связующего и технологическими трудностями создания густсармированных

композитов. Принимая во внимание тсхнико-экономичсские показатели, определены оптимальные содержания коротких волокон, которые равны 0,15-0.25.

С точки зрения повышения несушей способности конструкций временных ГТС наиболее эффективны стеклянные волокна. С другой стороны, при доступности древесных и растительных материалов в районе строительства их применение может быть экономически оправдано (в зимниках на заболоченной местности, в лесовозных дорогах).

Четвертая глава посвящена конструкшвио-технологичсским решениям. направленным на повышение надежности водоупорных элементов и конструкций ГТС мерзлого типа с использованием ледяных и льдофунтовых композитов. Разработаны конструкции водоупорных элементоз для каменно-земляных и каменно-набросных плотин мерзлого типа и для узлов их сопряжений с береговыми примыканиями в виде диафрагмы из кришелевого материала. На рис. 5, 6 представлены схемы узла сопряжения с береговыми примыканиями и фрагмента каменно-набросной плотины мерзлого типа, возводимой на песчаном основании, перекрывающим коренные породы. Противо-фильтрационные диафрагмы из криогелевых грунтовых композитов располагают во фронтальной части мерзлотной завесы в непосредственной близости от замораживающих устройств (СОУ), тем самым объединял их в единую конструкцию. Диафрагмы возводятся методами глубинного перемешивания, созданием стены в фунте или буронабивными сваями. В качестве вяжущего вещества во всех этих методах предлагаем 10% раствор Г1ВС с добавкой борной кислоты и ПАВ. Обшее количество вяжущего вешесгва должно составлять около 15 - 20% от массы перемешиваемого грунта. Диафрагма обладает низкой теплопроводностью, защищает мерзлотную завесу от отепляющего воздействия водохранилища, и остается практически водонепроницаемой при нарушении сплошности льдофунтовой завесы из-за неисправности замораживающих колонок.

Рис. 5. Схема сопряжения плотины мерзлого типа с береговыми устоями: I верховой откос, 2- низовой откос,3 - оголовок плотины выше уровни ФПУ, сооруженный и) пссчано-гравийных материалов; У - диафрагма ит криогслсвого компотита, 5 -ядро; 6 - скальные поролы; 7- СОУ

Морозостойкость и возможность создания гидроизоляционных экранов непосредственно на объекте являются уникальным 1реимушеством криогелей по сравнению с традиционными цементными смесями. Одна из схем шдроизоляционного экрана на основе геосинтетических материалов с применением грунтово-криогелевого композита представлена на рис.7.

Рис.6. Устройство и ротивофильгр анионной и теплоизоляционной зашиты в плотине мерзлого типа: I - опаивающее основание из фильтрующего материала. 2 - вечномерзлое основание. 3 - тепло- изоляционный слой. 4 - исрхомя призма. 5 - низовая призма. 6 - песчаный защитный слой; 7 - протнвофильтрационноя н теплоизоляционная диафрагма из крногслсвого грунтового композита. 8 - мерзлотная завеса. 9- СО У

1 2 3 4

Рис.7. Устройство гидроизоляционного экрана с использованием криогслсвого композита и геосинтетического материала (канвалаи. дернит) / - водохранилище. 2 - крепление верхового отхоса; 3 - верхний защитный песчаный слой; 4 - геосикгетический материал, пропитанный раствором ИВС; 5 - зона проникновения раствора 11 НС в подстилающий грунт, 6 -защитный песчаный слой; 7 - призма верхового откоса из каменио-набросного материала

Для проведения ремонтных работ по предотвращению высоких фильтрационных расходов грунтовых плотин предложен способ, защи-

щенный патентом РФ №2342484. Способ основан на применении пористых криогелевых грунтовых композитов путем инъектирования водного раствора ПВС в тело плотины через пробуренные скважины. Способ включает кольматацию грунтового материала гидроизоляционным полимерным составом, состоящим из водного раствора ПВС и борной кислоты, путем поинтервального нагнетания под давлением с одновременной подачей воздуха.

Для предотвращения «трещинной» суффозии в верхней части водоупорного элемента грунтовой плотины предложено устройство диафрагмы в виде траншеи, заполненной криогелевым льдогрунтовым композитом.

Данные эксперимента по устройству пенного теплогидроизоли-рующего экрана из золошлаковых материалов Магаданской ТЭЦ с добавками ПВС в составе проекта ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева «Разработать технологию круглогодичного строительства земляных сооружений для низконапорных гидроузлов в северных условиях» показали успешность использования криогелевых композитов для создания водоупорных элементов плотин в ССКЗ.

Пятая глава посвящена разработке технических решений по усовершенствованию конструкций временных гидротехнических сооружений на основе ледяных композитов.

В связи с тем, что при температурах близких к 0°С эффективность армирования короткими волокнами резко падает, а применение длинных волокон с длиной превышающей критическую, исключает применение механизированного метода намораживания (дождеванием), для конструкций временных гидротехнических сооружений, использующих несущую способность ледяного покрова, предложено использовать слоистые композиты, полученные путем армирования стеклосетками. При создании ледяных конструкций, армированных стеклосетками, возможно не только многократное их использование, но и применение механизированного метода намораживания льда, что позволяет сочетать преимущества методов ускоренного намораживания и армирования.

Для повышения несущей способности ледяного покрова (покрытия) и увеличения сроков эксплуатации при проведении с него строительных работ разработаны следующие конструктивно-технологические решения с применением льдокомпозитов:

1. Формирование упрочненного льда осуществляется созданием конструкции ледяного массива с обеспечением упорядоченного расположения волокон в плоскости действия растягивающих напряжений, что приводит к более полному использованию высокой прочности армирующих волокон. Упорядоченное расположение волокон достигается в установившемся ламинарном потоке пульпы при послойной подаче ее на поверхность ледяного покрытия с последующим послойным замораживанием (АС №1249277).

2. Для формирования ледяного покрытия естественного водоема с увеличенными сроками эксплуатации несущей способности предлагается конструкция, состоящая из послойно намороженных слоев армированного льда, причем средний слой намораживается с добавлением в воду ПВС и ПАВ. В этом случае ПВС используется как стабилизатор пены, ПАВ обеспечивают формирование пористого льда, теплостойкость которого выше, чем у естественного льда, тем самым расширяются сроки эксплуатации ледяного покрытия (АС №1388674).

3. Применение конструкций временных ГТС из льдокомпозитов, армированных по гибридной (многокомпонентной) схеме: из армирующих лед слоев стеклосетки с выкладкой между ними древесных опилок с последующим их увлажнением, уплотнением и замораживанием слоев, позволяет повысить несущую способность, коэффициент сцепления и теплоизоляционные свойства снего-ледяного покрытия с возможностью повторного использования армирующих материалов (АС №1715920).

4. Повышение несущей способности зимней дороги основано на применении армированных волокнами льдокомпозитов и предназначено для прокладки дорог по заболоченным участкам. В качестве волокон используют стебли растений, обработанные водным раствором метилцеллю-лозы для повышения адгезии льда к волокнам (АС №1548307).

5. Для повышения несущей способности морской ледяной платформы разработана трехслойная конструкция из пресного и морского льда. Нижний слой платформы образуют из льдокомпозита с плотностью меньше плотности воды, подавая под слой льда смесь пресной воды с коротко-волокнистым армирующим материалом, например с древесными опилками, верхний слой образуют намораживанием пресного льда (АС №1476062).

Применение армированных льдокомпозитов в конструкциях временных ГТС повышает их безопасность при эксплуатации и практически исключает несчастные случаи, связанные с хрупким разрушением льда под транспортными средствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Научно обоснованы возможности создания надежных водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа и конструкций временных ГТС с расширенными сроками безопасной эксплуатации конструктивно-технологическими методами, основанными на применении ледяных и криогелевых льдогрунтовых композитов. Разработан и исследован экологически безопасный новый криогелевый льдогрунтовый композиционный материал на основе ПВС. Доказано, что этот материал наиболее перспективен для устройства, ремонта и реконструкции водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа.

2. Показано, что физико-механические характеристики криогелевых льдогрунтовых композитов на основе ПВС обусловлены образованием в них при замораживании полимерной сетки, которая обеспечивает необходимые для применения в качестве материала ПФЭ грунтовых плотин свойства, в частности водонепроницаемость, устойчивость к образованию трещин при значительных деформациях и гибкость.

3. Установлено, что разработанные криогелевые льдогрунтовые композиты обладают высокими прочностными и противофильтрационны-ми свойствами как в мерзлом состоянии, так и при оттаивании и при воздействии знакопеременных температур, при этом с ростом количества циклов «замораживания-оттаивания» свойства несколько улучшаются.

4. Разработаны конструкционные и технологические схемы создания надежных водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа и конструкций ГТС, в которых наиболее полно используются положительные свойства криогелевых льдогрунтовых композитов. Разработанные новые надежные конструкции ПФЭ грунтовых плотин и береговых сопряжений обладают рядом преимуществ по сравнению с другими аналогичными решениями.

5. Для разных типов конструкций водоупорных элементов рекомендованы различные по составу криогелевые грунтовые композиты. Для устройства эффективной противофильтрационной и теплоизоляционной защиты в плотине мерзлого типа предлагается применять пористые криогелевые льдогрунтовые композиты. Установлено, что концентрация содержания ПВС должна находится в диапазоне от 1,5% до 2,0%, это соответствует концентрации ПВС в водном растворе от 7 до 10%. Для проти-вофильтрационных экранов рекомендовано устройство из криогелей ПВС в комбинации с геосинтетическим материалом.

6. Показано, что криогелевые конструкции водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа являются современными и прогрессивными типами защиты сооружений от фильтрации. Главными отличительными признаками криогелевых противофильтрационных конструкций (диафрагм и экранов) являются: четкая функциональность элементов, малые объемы (толщина и масса) собственно водонепроницаемого элемента, теплостойкость с низкими значениями теплопроводности, сохранение водонепроницаемости при оттаивании (Кф менее 10"8 см/с), химическая стойкость, стойкость к воздействию микроорганизмов, морозостойкость, возможность укладки при отрицательных температурах, экономичность, са-мозалечиваемость в случае появления трещин, высокая пластичность (де-формативная способность без образования трещин), экологическая безопасность.

7. Для различных зон риска возникновения нештатных ситуаций, связанных с нарушениями фильтрационной прочности водоупорных элементов, предлагаются эффективные конструктивно-технологические ре-

шения, основанные на применении конструкций из криогелевых грунтовых композитов, в которых максимально учтены природные условия и использованы местные материалы. Два технических решения защищены патентами РФ: №1796650, №2342484.

8. Разработаны новые надежные конструкции временных ГТС из ледяных композитов. Исследованы ледяные композиты, созданные посредством упрочнения дисперсными частицами и армирования волокнами, определены зависимости прочности ледяных композитов от температуры, содержания и ориентации армирующих волокон, длины и типа. Разработки и результаты исследований реализованы при проектировании ледовых аэродромных покрытий в Арктике.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Васильев Н.К. Методы упрочнения и армирования льда для конструкций гидротехнических сооружений из ледяных и льдогрунтовых композитов / Н.К. Васильев, A.A. Иванов, И.Н. Шаталина // Вестник НГУ. Серия: Математика, механика, информатика. 2013. Т. 13/Вып. 3. С. 31-37.

2. Водоупорные элементы грунтовых плотин в северной строительно-климатической зоне с использованием грунтово-криогелевых композитов / Н.К. Васильев, В.Б. Глаговский, A.A. Иванов, И.Н. Шаталина // Гидротехническое строительство. 2013. №11. С. 19-23.

3. Васильев Н.К. Методы армирования льда для создания ледяных и льдогрунтовых композитов/Н.К. Васильев, И.Н. Шаталина // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2012. Т.264. С. 119-130.

4. Укрепление мерзлых грунтов методом криотропного гелеобразо-вания/ Н.К. Васильев, М.Г. Давыдов, В.В. Сокуров, И.Н. Шаталина // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2009. Т.253. С. 49-53.

Другие статьи и материалы конференций:

1. Васильев Н.К. Грунтовые криогелевые композиты для противо-фильтрационных элементов плотин в северной строительно-климатической зоне / Н.К. Васильев, A.A. Иванов // На стыке наук. Физико-химическая серия. 1-ая Международная интернет-конференция. Казань. 2013. С.40-41.

2. Ice-and Cryogel-Soil Composites in Water-Retaining Elements in Embankment Dams Constructed in Cold Regions/N.K. Vasiliev, A.A. Ivanov, V.V. Sokurov, I.N. Shatalina // Sciences in Cold and Arid Regions. 2013, 5 (4). P.444-450.

3. Strength Properties of Ice-Soil Composites Created by Method of Ciyotropic Gel Formation / N.K. Vasiliev, A.A. Ivanov ,V.V. Sokurov, I.N.

Shatalina, K.N. Vasilyev // Cold Regions Science and Technology. 2012. v. 70. P.94-97.

4. Vasiliev N.K. Ice Composites: Mechanical Properties and Methods of Creation / N.K. Vasiliev, M.G. Gladkov // Proc. of the 17th Int. Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC 03. 2003. Vol.1. P. 119127.

5. Vasiliev N.K. On Development of Fibre-Ice-Composites/ N.K. Vasiliev // Cold Regions Science and Technology. 1993 .Vol. 21. P. 195-199.

6. Васильев H.K. Упрочнение льда для ледяных переправ/Н.К. Васильев // Автомобильные дороги. 1988. №11. С.20-21.

Патенты и изобретения:

1. Пат. 2342484 РФ МПК Е02ВЗ/16. Способ изготовления водонепроницаемого экрана в грунтовых материалах элементов гидротехнического сооружения / Васильев Н.К., Сокуров В.В., Иванов A.A., Шаталина И.Н., Разговорова E.JL, опубл. 27.12.2008. Бюл.№ 36.

2. Пат. 1796650 РФ МПК С09КЗ/24. Состав для искусственного льда/Васильев Н.К. Разговорова E.JL, Шаталина И.Н., Иванов Ю. А., Харитонов В.Н., опубл.23.02.93. Бюл.№7.

3. АС № 1715920 СССР МКИ Е01С11/24. Способ создания снего-ледяного покрытия / Васильев Н.К., Моисеев В.И., Марьяхин С.А., Касьянов В.А., опубл. 29.02.92. № 8.

4. АС № 1600406 СССР МКИ Е02В7/06. Способ возведения грунтовой плотины мерзлого типа / Васильев Н.К., Разговорова E.JL, Шаталина И.Н., Портнягин Л.Г., Сидоров М.П., опубл.05.12.88.

5. АС №1548307 СССР МКИ Е01С9/00. Способ создания зимней дороги/Моисеев В.И., Васильев Н.К., Ляпин В.Е., Касьянов В.А.,опубл. 07.03.90. Бюл.№ 9.

6. АС № 1476062 СССР МКИ Е02В17/00. Способ возведения морской ледяной платформы / Васильев Н.К., Моносов JI.M., Трегуб Г.А., Белло Т.В., опубл. 30.04.89.Бюл.16.

7. АС №1388674 СССР МКИ F25Cl/12.Cnoco6 формирования ледяного покрытия естественного водоема / Васильев Н.К., Белло Т.В., Моисеев В.И., опубл.15.04.88. Бюл.№ 14.

8. АС № 1346921 СССР МКИ F25C3/04.Cnoco6 создания ледяного покрытия на поверхности водоема / Васильев Н.К., опубл.23.10.87. Бюл.№ 39.

9. АС № 1249277 СССР МКИ F25C1/12. Способ формирования упрочненного льда / Моисеев В.И., Панюшкин A.B., Васильев Н.К., опубл. 07.08.86. Бюл. № 29.

Типография ООО «Наша Марка» 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 1,0 п. л. Тираж 100. Заказ 18.

ОАО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА»

На/правах рукописи

■И

04201 45531 7

Васильев Николай Константинович

Конструктивно-технологические решения для водоупорных элементов гидротехнических сооружений мерзлого типа с использованием

льдогрунтовых композитов

Специальность: 05.23.07 - Гидротехническое строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н. Шаталина И.Н.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................5

1 Особенности работы конструкций гидротехнических сооружений мерзлого типа и обоснование целесообразности применения в них ледовых и льдогрунтовых композитов......................................................................................15

1.1 Особенности работы конструкций гидротехнических сооружений мерзлого типа.............................................................................................................15

1.2 Патентный и литературный обзоры конструктивно-технологических решений снижения аварийности грунтовых плотин мерзлого типа и повышения эксплуатационных характеристик временных гидротехнических сооружений.................................................................................................................25

1.3 Обоснование целесообразности применения ледяных и льдогрунтовых композитов в гидротехнических сооружениях мерзлого типа.............................34

1.4 Методы создания ледяных и льдогрунтовых композитов для конструкций гидротехнических сооружений.........................................................36

1.4.1 Методы создания льдогрунтовых композитов для водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа......................................................36

1.4.2 Методы создания ледяных композитов для временных ГТС.................39

1.5 Постановка задач исследований....................................................................41

2 Обоснование выбора перспективных компонентов ледяных и льдогрунтовых композитов для разработки конструкций гидротехнических сооружений мерзлого типа.......................................................................................45

2.1 Методы проектирования композитных конструкций и ледяных и льдогрунтовых композитов для элементов гидротехнических сооружений мерзлого типа.............................................................................................................45

2.2 Обоснование выбора компонентов композитов, предназначенных для водоупорных элементов грунтовых плотин...........................................................49

2.3 Обоснование выбора компонентов композитов, предназначенных для временных гидротехнических сооружений............................................................57

3 Экспериментальные исследования физико-механических свойств ледяных и льдогрунтовых композитов и методы их проведения.........................63

3.1 Экспериментальные исследования физико-механических свойств криогелевых льдогрунтовых композитов для водоупорных элементов плотин мерзлого типа.............................................................................................................63

3.1.1 Подготовка модельных образцов...............................................................63

3.1.2 Методики проведения испытаний по определению физико-механических характеристик криогелевых льдогрунтовых композитов........66

3.1.3 Результаты испытаний криогелевых льдогрунтовых композитов.........71

3.1.4 Обсуждение результатов.............................................................................82

3.2 Экспериментальные исследования физико-механических свойств ледяных композитов для временных гидротехнических сооружений.................85

3.2.1 Методики испытаний и приготовления образцов....................................85

3.2.2 Упрочнение льда дисперсными частицами...............................................88

3.2.3 Армирование льда волокнами....................................................................90

4 Конструктивно-технологические решения, направленные на повышение надежности водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа с использованием льдогрунтовых композитов.......................................................100

4.1 Противофильтрационные диафрагмы из криогелевых грунтовых композитов в плотинах мерзлого типа..................................................................100

4.2 Способ возведения водонепроницаемой диафрагмы в грунтовых материалах элементов ГТС....................................................................................108

4.3 Способ изготовления водонепроницаемого экрана из грунтово-криогелевого композита в грунтовых плотинах..................................................109

4.4 Средство зашиты от «трещинной» суффозии в водоупорных элементах плотин из грунтовых материалов...........................................................................111

4.5 Данные эксперимента по устройству теплогидроизолирующего покрытия из золошлаковых материалов Магаданской ТЭЦ...............................114

4.6 Экономические аспекты применения криогелевых композитов.............117

5 Усовершенствование конструкций временных гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в мерзлом состоянии.........................................119

5.1 Формирование упрочненного льда для создания ледяных конструкций с обеспечением упорядоченного расположения волокон......................................119

5.2 Формирование конструкции ледяного покрытия с удлиненными сроками эксплуатации несущей способности......................................................................120

5.3 Конструкция снего-ледяного покрытия, армированного по гибридной (многокомпонентной) схеме армирования...........................................................121

5.4 Конструкция зимней дороги, основанная на применении армированных волокнами ледяных композитов растительного происхождения.......................122

5.5 Конструкция морской ледяной платформы................................................123

Заключение...............................................................................................................127

Список использованных источников.....................................................................130

Приложение..............................................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Актуальность.

Анализ всех видов аварий грунтовых плотин в северной строительно-климатической зоне (ССКЗ) показывает, что наиболее опасными и часто наблюдаемыми ситуациями являются снижение несущей способности и водонепроницаемости конструкций водоупорных элементов при повышении температуры или при периодическом замерзании и оттаивании вплоть до полной потери прочности и противофильтрационной устойчивости. Такие конструкции грунтовых плотин, как оголовки, сопряжения с основанием и бортовые примыкания подвержены промерзанию - оттаиванию с возможностью развития опасных криогенных процессов с потерей водонепроницаемости водоупорных элементов. Вместе с тем, опыт эксплуатации конструкций гидротехнических сооружений (ГТС) из мерзлого грунта и льда позволяет утверждать, что при определенных условиях технически возможны конструктивно-технологические решения, при которых использование мерзлых грунтов и льда не приводит к снижению их эксплуатационной надежности. Одним из таких эффективных конструктивно-технологических решений является создание конструкций на основе композиционных материалов - ледяных и льдогрунтовых композитов. Эти конструктивно-технологические решения позволяют значительно повысить сроки безопасной эксплуатации мерзлых плотин и ледяных конструкций для проведения работ со льда в гидротехническом строительстве на Арктическом шельфе и для создания ледяных переправ, причалов и других временных ГТС. Разработка надежных конструкций ГТС с максимальным учетом природных условий и использованием местных материалов, достигаемая конструктивно-технологическими решениями с применением ледяных и льдогрунтовых материалов, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы.

Цель работы - разработка надежных усовершенствованных конструкций водоупорных элементов ГТС мерзлого типа с использованием ледяных и льдогрунтовых композитов.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обобщение и анализ существующих конструкций и технологий по возведению водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа и временных ГТС в ССКЗ.

2. Научное обоснование конструктивно-технологических решений, направленных на повышение надежности водоупорных элементов и конструкций ГТС мерзлого типа с использованием ледяных и льдогрунтовых композитов.

3. Исследование ледяных и криогелевых льдогрунтовых композитов и регулирование их свойств в зависимости от назначения конструкции ГТС.

4. Разработка надежных конструкций льдогрунтовых водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа с использованием криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокой фильтрационной прочностью.

5. Усовершенствование конструкций временных ГТС из льда (при проведении строительных работ, ледяных причалов, переправ) и удлинение сроков их безопасной эксплуатации.

Научная новизна:

1. В разработке конструкций водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа из криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокой фильтрационной прочностью при замораживании-оттаивании.

2. В проектировании конструкционных и технологических схем создания надежных водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа и

конструкций ГТС с использованием криогелевых льдогрунтовых композитов на основе поливинилового спирта (ПВС).

3. В разработке конструктивно-технологических решений применения армированных льдокомпозитов в конструкциях временных ледовых ГТС, удлинения сроков безопасной эксплуатации и повышения несущей способности.

Все разработки выполнены автором диссертации впервые, многие из них подтверждены патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту:

• конструктивно-технологические решения для создания надежных водоупорных элементов грунтовых плотин мерзлого типа на основе криогелевых льдогрунтовых композитов;

• усовершенствованные конструкции временных ледовых ГТС с удлиненными сроками безопасной эксплуатации и повышенной несущей способностью, и способы их возведения из ледяных и льдогрунтовых композитов;

• технология получения и состав криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокими прочностными и противофильтрационными свойствами в мерзлом состоянии, при оттаивании и воздействии знакопеременных температур.

Методы исследований

Работа носит расчетно-экспериментальный характер и выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ, стандартные и специальные экспериментальные методы определения физико-механических свойств создаваемых композитов и математическую обработку полученных результатов.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований, проведенных в

соответствии с государственными стандартами и рекомендациями нормативных документов, корректностью применения апробированного в научной практике исследовательского и аналитического аппарата и сопоставлением результатов исследования с данными зарубежного и отечественного опыта. В работе применены математические методы статистической обработки результатов экспериментов.

Практическая значимость и реализация работы

Разработанные новые конструкции противофильтрационных элементов (ПФЭ) грунтовых плотин: мерзлотных завес, экранов, ядер на основе криогелевых льдогрунтовых композитов, обладающих высокой фильтрационной прочностью при оттаивании в летний период и в условиях знакопеременных температур, обеспечивают надежную работу водоупорных элементов грунтовых плотин и дамб. Новые конструктивно-технологические решения для временных ГТС из льда позволяют повысить их несущую способность и удлинить сроки безопасной эксплуатации.

Разработанные конструкции применимы для гидроизолирующих покрытий ложа и дамб золоотвалов, в транспортном и гидротехническом строительстве на Арктическом шельфе (ледяные аэродромы, ледовые острова для бурения).

Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, были использованы в составе проекта «Разработать технологию круглогодичного строительства земляных сооружений для низконапорных гидроузлов в северных условиях» (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева), в научно-техническом проекте «Разработка способов улучшения эксплуатационных характеристик ледяных аэродромных покрытий и ледовых аэродромов» организации «Ленаэропроект» (акт внедрения).

Разработанные способы создания ледяных и льдогрунтовых композитов с требуемыми для их применения в конструкциях ГТС физико-механическими свойствами, составы и конструкции защищены авторскими свидетельствами и патентами, имеются акты использования изобретений.

Личный вклад автора

Личное участие автора состоит:

• в разработке новых конструкций ПФЭ грунтовых плотин и конструкций временных гидротехнических сооружений;

• в разработке и оптимизации составов ледяных и криогелевых льдогрунтовых композитов;

• в проведении исследований физико-механических свойств созданных композитов;

• в обработке и анализе экспериментальных данных.

Публикации и апробация работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 19 печатных работах, из которых 9 - авторские свидетельства и патенты на изобретения. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и совещаниях: «Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера» (г. Красноярск, 1986г.), «Ледотермические проблемы в северном гидротехническом строительстве и вопросы продления навигации» (г. Архангельск, 1987г.), «Опыт борьбы и предотвращения возникновения наледей на железных и автомобильных дорогах» (г. Новосибирск, 1987г.), III Всесоюзная конференция по механике и физике льда (Москва, 1988г.), «Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый режим рек и окружающую среду. Лед-89» (г. Дивногорск, 1989г.), на трех международных конференциях по портовой и океанической технике в арктических условиях (Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions - POAC) в 2003, 2009, 2011 гг., на международном симпозиуме «Последние исследования, достижения и технологии укрепления грунтов» (IS-GI Brussels-2012), на 6-ой и 7-ой научно-технических конференциях «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 2011г., 2012г.), на конференции «Полярная механика-2012» (г. Новосибирск) и на международном симпозиуме Международной ассоциации

гидравлических исследований по льду (IAHR - 10) в г. Лахти, Финляндия, в 2010 году.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 148 страниц сквозной нумерации, включая 49 рисунков, 10 таблиц и приложение.

Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории Статических исследований грунтов ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», за помощь при выполнении отдельных экспериментов, особо отмечает неоценимую помощь A.A. Иванова и В.О. Сая.

Автор выражает признательность д.х.н., проф. В.И. Лозинскому, д.т.н. В.И. Моисееву, д.т.н., проф. В.Н. Жиленкову за консультации и ценные советы, высказанные при обсуждении отдельных этапов исследований.

Во введении обоснована актуальность работы, формулируются цель и задачи, научная новизна и практическая значимость работы и приводится краткое описание структуры диссертации.

В главе 1 {Особенности работы конструкций гидротехнических сооружений мерзлого типа и обоснование целесообразности применения в них ледовых и льдогрунтовых композитов) рассмотрены причины высокой аварийности грунтовых плотин мерзлого типа, обоснована целесообразность разработок в области создания и применения криогелевых льдогрунтовых композитов для водоупорных конструкций и ледяных композитов для временных гидротехнических сооружений. Приведены патентный и литературный обзоры конструктивно-технологических решений для снижения аварийности грунтовых плотин мерзлого типа, повышения эксплуатационных характеристик временных гидротехнических сооружений и применяемых на практике методов создания ледяных и льдогрунтовых композитов. Вопросами строительства в ССКЗ и разработкой конструкций водоупорных элементов грунтовых плотин и временных ГТС занимались и занимаются ведущие

гидротехники страны: А.Н.Адамович, В.И.Белан, Г.Ф.Биянов, В.А.Вайкум, К.Ф.Войтковский, С.С.Вялов, В.Б.Глаговский, П.Д.Глебов, А.Л.Гольдин,

B.М.Давиденко, В.Н.Жиленков, Ю.К.Зарецкий, П.Л.Иванов, А.А.Каган, Н.Ф.Кривоногова, Я.А.Кроник, Л.И.Кудояров, В.С.Кузнецов, В.Л.Куперман, Е.Д.Лосев, В.Д.Макаров, И.А.Максимов, В.Г.Мельник, В.А.Мельников, И.С.Моисеев, Н.А.Мухетдинов, Ю.Н.Мызников, М.П.Павчич, С.И.Панов,

C.Н.Попченко, Б.В.Проскуряков, В.Н.Придорогин, В.Г.Радченко, Л.А.Розин, Л.Н.Рассказов, Д.Д.Сапегин, В.И.Телешев, В.В.Тетельмин, В.А.Турчина, Н.А.Цытович, С.Б.Ухов, В.И.Федосеев, М.П.Федоров, В.Н.Фрумкин, А.М.Цвик, Р.В.Чжан, И.Н.Шаталина, И.Н.Шишов, Н.Ф.Щавелев, В.П.Ягин. Из зарубежных ученых следует отметить В.Ф. Ван Асбека, П.Ж. Глокнера, У.Д. Кингери, С.Ф. Рихтера и друг�