Совершенствование конструкций берегоукрепительных сооружений с использованием композитного шпунта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат наук Немолочнов Антон Георгиевич

• Немолочнов Антон Георгиевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Немолочнов Антон Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор композитных шпунтовых свай

1.1. Описание технологии производства

1.2. Сведения о композитном шпунте корытного профиля ШК-150

1.2.1. Характеристики композитного шпунта ШК-150

1.2.2. Результаты ранее проводимых испытаний шпунта ШК-150

1.3. Сведения о композитном шпунте /-профиля ОР-7

1.3.1. Характеристики композитного шпунта ОР-7

1.3.2. Результаты ранее проводимых испытаний шпунта ОР-7

1.4. Технология погружения

1.5. Проекты с применением композитных шпунтовых свай

1.6. Сравнение отечественных композитных шпунтовых свай с зарубежными аналогами, ПВХ и металлическими шпунтовыми сваями

1.6.1. Описание композитных шпунтовых свай зарубежного производства, ПВХ и металлических свай

1.6.2. Сравнение шпунтовых свай

1.7. Анализ имеющихся данных по композитным шпунтовым сваям

Глава 2, Лабораторные и полевые испытания композитных шпунтовых свай

2.1. Состав работ в рамках исследования композитных шпунтовых свай

2.2. Определение прочностных и деформативных характеристик материала (композита)

2.3. Первая серия испытаний шпунтовых свай ШК-150 на изгиб от действия сосредоточенных сил

2.3.1. Описание используемого оборудования

2.3.2. Методика проведения испытаний

2.3.3. Испытания шпунта ШК-150 по схеме: «балка на двух опорах с сосредоточенной силой по центру»

2.3.4. Испытание шпунта ШК-150 по схеме: «чистый изгиб»

2.3.5. Выводы по первой серии испытаний композитных шпунтовых свай ШК-150

2.4. Вторая серия испытаний шпунтовых свай ШК-150 на изгиб от действия сосредоточенных сил

2.4.1. Методика проведения испытаний и описание используемого оборудования

2.4.2. Испытания шпунта ШК-150 по схеме: «чистый изгиб»

2.4.3. Определение жесткости на изгиб и на сдвиг композитных шпунтовых свай ШК-150

2.4.4. Выводы по второй серии испытаний композитных шпунтовых свай ШК-150

2.5. Испытания композитных шпунтовых свай /-профиля

2.6. Полунатурное испытание композитных шпунтовых свай ШК-150

2.6.1. Описание используемого оборудования

2.6.2. Методика проведения испытаний

2.6.3. Результаты полунатурного испытания

2.6.4. Выводы по результатам полунатурного испытания

2.7. Пробное погружение композитных шпунтовых свай

2.7.1. Общие сведения о применяемом оборудовании

2.7.2. Пробное погружение шпунта

2.7.3. Выводы

Глава 3, Математическое моделирование проводимых испытаний на изгиб от действия сосредоточенных сил и анализ НДС композитного шпунта

3.1. Описание математических моделей испытаний композитных шпунтовых свай ШК-150

3.2. Результаты математического моделирования 1-ой серии испытаний на изгиб от действия двух сосредоточенных сил

3.3. Результаты математического моделирования 2-ой серии испытаний на изгиб от действия двух сосредоточенных сил

3.4. Проведение численного эксперимента для композитного шпунта под действием равномерно-распределенной нагрузки

3.5. Анализ результатов математического моделирования испытаний композитного шпунта

Глава 4Г Разработка рекомендаций по применению композитных шпунтовых свай в гидротехническом строительстве и усовершенствованию профилей композитных шпунтовых свай

4.1. Выполнение расчетов берегоукрепительных сооружений с использованием композитных шпунтовых свай

4.2. Рекомендации по улучшению профилей композитных шпунтовых свай

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение 1. Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкций берегоукрепительных сооружений с использованием композитного шпунта»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационного исследования

Берегоукрепительные сооружения это одни из наиболее распространенных гидротехнических сооружений. Они возводятся для защиты от береговой эрозии там, где разрушение берегов угрожает населенным пунктам, предприятиям, мостам, дорогам, линиям передач и пр. Строительство берегоукрепительных сооружений является основной составляющей инженерной защиты территорий при строительстве гидроузлов, а в последнее время возводятся для защиты городов от катастрофических наводнений.

Берегоукрепительные сооружения в виде набережных устраиваются в черте городов и портах, где они могут использоваться как причалы для судов, так и для благоустройства городских территорий. В настоящее время одним из самых распространенных типов таких набережных являются тонкие подпорные стены -больверки. Их распространение связано с широким выбором шпунтовых профилей, номенклатура которых позволяет подобрать шпунт практически под любые грунтовые условия и конструктивные требования, относительной простотой технологии возведения и высокой скоростью строительства.

В качестве материала шпунтовых свай в разное время использовались дерево, железобетон и сталь. К концу XX века стальные шпунтовые сваи практически полностью вытеснили остальные материалы. Примерно в это же время разрабатывается принципиально новый тип материала, который может использоваться для изготовления шпунтовых свай - композит.

Композиционный материал (композит) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов. Как правило любой композитный материал состоит из матрицы (заполнитель, основа) и включённых в неё армирующих элементов. Комбинация различных материалов позволяет получить новый материал со своим набором свойств, отличающимся от свойств исходных материалов.

Современные полимерные композиты, а также конструкции и изделия из них находят применение в строительстве, благодаря таким характеристикам, как

высокая прочность, коррозионная стойкость и низкий удельный вес. Около трети мирового объема производства полимерных композитов составляет продукция для строительной отрасли. Композитные материалы нашли применение в виде отдельных изделий, неметаллической арматуры, армирующих полотен и т.д.

В этой работе будет рассмотрен еще один пример применения композитных материалов - это композитные шпунтовые сваи, которые могут составить конкуренцию металлическому шпунту в гидротехническом строительстве в целом и в конструкциях берегоукрепительных сооружений в частности.

24 июля 2013 года утверждена «Отраслевая программа внедрения композиционных материалов, конструкций и изделий из них в строительном комплексе Российской Федерации» приказом Министерства регионального развития Российской Федерации № 306. Целью программы является создание условий наибольшего благоприятствования для широкого применения современных и эффективных композитов, конструкций и изделий из них в строительном комплексе России.

Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 10 ноября 2017 года № 1732-ст утвержден ГОСТ Р 57942-2017 «Шпунт композитный полимерный. Общие технические требования и методы испытаний». Настоящий стандарт распространяется на полимерные композитные шпунты, предназначенные для применения при сооружении шпунтовых ограждений различного назначения в гидротехническом, транспортном, промышленном и гражданском строительстве.

Утверждение вышеперечисленных нормативных документов сформировало основу для внедрения композитных шпунтовых свай.

Однако, в настоящее время не выполнялись непосредственные испытания композитных шпунтовых свай, что оставляет открытым вопрос о их фактической несущей способности. Это является главным фактором, ограничивающим применение композитного шпунта в гидротехническом строительстве.

Исследование нацелено на анализ свойств шпунтовых свай корытного и 7-профиля отечественного производства, определению их фактической несущей

способности для оценки возможности применения композитных шпунтовых свай в качестве основного несущего элемента конструкции берегоукрепительных сооружений, а также на решение практической задачи по совершенствованию профилей композитных шпунтовых свай, для расширения области возможного их применения в гидротехническом строительстве.

Степень разработанности темы

В ходе работы над диссертацией установлено, что тема о применении композитного шпунта поднимается в работах А.В. Бояринцева, К.И. Донецкого, Д.А. Илюхина, Р.Ю. Караваева, С.В. Ланько, А.А. Михасека, В.В. Платонова, П.Г. Потанина и др.

Вопрос о возможности применения шпунтов из композитных материалов в гидротехническом строительстве исследовали Н.Д. Беляев, А. К. Зайцев, А.А. Иодчик, K.A. Кокорева, Л.Г. Ляхова, Д.С. Мурашова, А.И. Ялышев.

Анализ напряженно-деформированного состояния композитных шпунтовых свай представлен в исследованиях российских и зарубежных авторов А. В. Квитко, Z. Bdeir, W. Ferdous, J. Shanmugam.

Основные положения вибрационной технологии погружения и извлечения полимерных шпунтов изложены в работах Е.Н. Филиппова и В.В. Верстова.

Цель диссертационного исследования заключается в определении ограничений возможного применения композитных шпунтовых свай в качестве основного несущего элемента конструкции берегоукрепительных сооружений, а также обосновании рекомендаций по совершенствованию профилей композитных шпунтовых свай.

Задачи диссертационного исследования:

1. испытания на прочность композитных шпунтовых свай корытного и Z-профиля для определения их прочности на действие изгибающего момента и жесткости на изгиб;

2. полунатурное испытание стенки из композитных шпунтовых свай;

3. пробное погружение шпунтовых свай;

4. численное моделирование испытаний для определения напряженно-деформированного состояния композитных шпунтовых свай;

5. разработка рекомендаций по применению композитных шпунтовых свай в качестве основного несущего элемента конструкции берегоукрепительных сооружений;

6. разработка рекомендаций по улучшению профилей композитных шпунтовых свай для расширения границ их применения в гидротехническом строительстве.

Объектом диссертационного исследования являются берегоукрепительные сооружения вертикального типа.

Предметом диссертационного исследования является прочность и жесткость берегоукрепительного сооружения вертикального типа конструкции безанкерного и заакеренного больверка с применением композитных шпунтовых свай.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- выполнены испытания композитных шпунтовых свай на изгиб от действия сосредоточенных нагрузок;

- изучены особенности разрушения композитного шпунта при воздействии на него сосредоточенных нагрузок;

- выявлены закономерности распределения напряжений по сечению композитной шпунтовой сваи;

- определены технологические ограничения при погружении композитных шпунтовых свай вибропогружателем;

- разработаны рекомендации по усовершенствованию поперечного сечения композитных шпунтовых свай, для повышения их несущей способности.

Практическая и теоретическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

1. получены результаты экспериментального определения несущей способности композитных шпунтовых свай отечественного производства;

2. определен механизм разрушения композитных шпунтовых свай;

3. приведены рекомендации по эффективному применению композитных шпунтовых свай в конструкциях берегоукрепительных сооружений;

4. приведены рекомендации по усовершенствованию конструкции композитных шпунтовых свай, практическая реализация которых позволит расширить область применения композитного шпунта.

Методология и методы диссертационного исследования

В диссертационной работе методика исследования заключалась в проведении комплекса теоретических, экспериментальных работ, а также численного моделирования, что позволило разработать рекомендации по применению композитных шпунтовых свай, как основного несущего элемента берегоукрепительных сооружений, и усовершенствованию поперечного сечения композитных шпунтовых свай.

Методология диссертационного исследования заключается в использовании общенаучных методов исследований: теоретических и практических. Практические методы с учетом специфики исследования включают в себя моделирование и осуществление экспериментов. Теоретические методы связаны с анализом конструктивно-технологических особенностей композитных шпунтовых свай, а также с традиционными статистическими методами обработки информации (результатов экспериментов).

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивные решения по совершенствованию поперечного сечения для увеличения несущей способности композитных шпунтовых свай;

- результаты лабораторных и полунатурных испытаний композитного шпунта;

- результаты численного моделирования лабораторных испытаний композитного шпунта;

- рекомендации по возможному применению композитного шпунта как основного несущего элемента берегоукрепительных сооружений.

Личный вклад автора заключается в постановке задач диссертационного исследования, выполнении теоретических и экспериментальных исследований,

обработке, анализе и обобщении их результатов, в разработке рекомендаций по применению и усовершенствованию композитных шпунтовых свай. Также следует отметить личный вклад автора в разработку испытательного стенда с контрольно-измерительной аппаратурой, который позволил провести испытания различных типов композитных шпунтовых свай, что способствовало получению новых научных сведений. Автором были выполнены полунатурные испытания конструкции незаанкеренного больверка из композитного шпунта.

Степень достоверности результатов подтверждается сопоставлением результатов расчетов, численных экспериментов и лабораторных исследований конструкций берегоукрепления с использованием композитных шпунтовых свай.

Публикации

По результатам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе: 3 статьи в изданиях, входящих в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук»; 1 статья в рецензируемых журналах, индексируемых в базах Web of Science и Scopus; 3 статьи в других печатных изданиях. В диссертации использованы результаты научных работ, выполненных автором - соискателем ученой степени кандидата технических наук - лично и в соавторстве. Список опубликованных научных работ Немолочнова А.Г. (лично и в соавторстве) приведен в списке публикаций по теме диссертации.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (НИУ МГСУ, 16 - 17 ноября 2016 г.) и на VI Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (НИУ МГСУ, 14 - 16 ноября 2018 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа включает в себя введение, 4 главы, заключение, список литературы из 78 наименований, в том числе 13 - на иностранном языке, 1 приложение. Объем диссертационной работы без учёта приложений составляет 123 страницы машинописного текста, общий объем, включая приложения 125 страниц, в том числе 88 рисунков и 24 таблицы.

Глава 1. Обзор композитных шпунтовых свай

1.1. Описание технологии производства

Композитный материал (композиционный материал или композит) - это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, различных по физическим и химическим свойствам, которые остаются раздельными на макроскопическом уровне в финишной структуре.

Существует около десятка способов промышленного производства композитных материалов: формование, вакуумное формование, намотка, вакуумная инфузия и т.д. Наиболее быстрым методом промышленного производства композитной продукции является пултрузия.

Пултрузия представляет собой процесс получения композитных профилей путем вытягивания через нагретую до определенной температуры формообразующую фильеру армирующих волокнистых материалов, пропитанных связующим — термореактивной смолой.

Армированный композитный профиль широко применяется при изготовлении ограждающих конструкций, окон, арматуры электротехнического профиля, арматуры для бетона, несущих конструкций.

Появление пултрузионных композитов принято относить к 50-м годам прошлого столетия. Тогда же, в промежутке между 1950-1980-ми годами развитие этой отрасли проходило революционными темпами. В этом нет ничего удивительного, поскольку первые композиты получали с помощью оборудования, зачастую предназначенного совсем для других целей, а потому сам процесс производства и непосредственно техника постоянно совершенствовались, позволяя получать на выходе все более качественный продукт.

Пионерами пултрузионных композитных материалов в гражданской сфере принято считать американцев Брэндта Голдсворси и Фреда Лэндграфа. Еще раньше ВВС США решили применить новый класс материалов - композиты на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками - борных и углеродных. Это классический пример, когда

изобретения, используемые в военной промышленности, в итоге становятся общедоступными. Именно они создали и запатентовали первую машину для промышленного производства композитов методом пултрузии. Сегодня, по истечении многих десятилетий, изобретение этих двух предприимчивых людей вряд ли вызовет восхищение специалистов. Однако на тот момент это была единственная в своем роде линия, позволявшая выпускать уникальный по своим характеристикам материал.

В 1954 году Голдсворси опубликовал статью под названием «Непрерывная экструзия из армированных пластиков», в которой рассмотрел основные моменты производства композитных материалов с применением полиэфирных смол методом сжатия. А несколькими годами позже он же со своим партнером Фред Лэндграф зарегистрировал компанию Glastrusions 1пс, первый в мире завод по выпуску композитов методом пултрузии. Предприятие на долгие годы стало лидером в данной отрасли, выполняя роль локомотива, который тащил за собой всех остальных участников зарождавшегося рынка, предопределяя его развитие.

Стоит отметить, что путь композитов от первых испытаний до массового признания оказался достаточно коротким, что само по себе удивительно для крайне консервативной сферы различных материалов. Уже через несколько лет после выпуска первых образцов, стало ясно, что материал, сочетающий в себе прочность металла, долговечность пластмассы и легкий вес найдет применение в десятках отраслей - от строительства и сельского хозяйства до авиастроения и нефтегазовой промышленности.

Одним из первых и наиболее полных справочников по производству смол и соответствующих процессов был труд М. Гейлорда «Теория и практика усиления пластмассы», изданный в 1969 году. В этой книге дается обзор различных видов и сортов полиэфиров, механизм реакции, сырье материалов, используемых, чтобы сделать сложные полиэфиры, мономеры, катализаторы, ингибиторы, ускорители.

Именно использование катализаторов для начала реакции полимеризации при более низкой температуре позволило увеличить скорость производства композитов.

В отдельный сегмент рынка пултрузия фактически выделилась в 1970 году. В результате нескольких крупных сделок сформировалось сообщество из 10 крупнейших мировых компаний, как по производству композитов, так и сырья для него.

Композитные материалы имеют неоспоримые преимущества перед традиционными строительными материалами. В интервью 30 января 2012 года, В.В.Путин назвал развитие композитной отрасли - одним из стратегических направлений развития промышленности России на ближайшее время.

Приоритетными направлениями развития должны стать разработка типовых решений и опытно-промышленное производство продукции для следующих отраслей народного хозяйства:

Строительство. Высокая удельная прочность, стойкость к воздействию температур, стойкость к агрессивным средам, малый удельный вес дают широкие возможности для применения данных материалов.

Железнодорожный и автомобильный транспорт. Изготовление отдельных деталей и вагонов в целом из композитных материалов.

Дорожное хозяйство. Использование композитных профилей и арматуры открывает перспективный путь строительства и ремонта мостов и дорог из новых материалов.

Нефтедобывающая промышленность. В настоящее время из этих материалов изготавливают элементы нефтяных платформ.

Энергетика. Опоры ЛЭП, провода с композитным сердечником, лопасти и корпуса ветряных электростанций наиболее перспективные направления развития в мире.

На рынке первые отечественные композиты, созданные методом инжекционной пултрузии - шпунтовые сваи ШК-150. Развитие подобной технологии является одним из наиболее перспективных, открывая новые возможности по созданию уникальных композитных конструкций. Компания намерена в ближайшем будущем существенно нарастить производственные

мощности и вывести на Российский рынок ряд новых, инновационных продуктов, не имеющих аналогов в настоящее время.

Пултрузия — это технология получения стеклопластикового профиля путем протяжки пропитанных связующим армирующих стекломатериалов через нагретую формообразующую фильеру. Пултрузия получила своё название от английских слов «pull» — тянуть и «through» — сквозь/через. Название описывает сам процесс протягивания армирующего материала сквозь нагретую фильеру.

Изготовление композитного профиля осуществляется с помощью специальной пултрузионной машины. Основными составляющими пултрузионной машины (Рисунок 1.1) являются:

• Секция подачи стекломатериалов;

• Пропиточная секция;

• Фильера;

• Тянущий агрегат;

• Блок управления нагревательными элементами тянущего агрегата;

• Секция обрезки.

Рисунок 1.1 - Схема пултрузионной машины Технология пултрузии основана на протягивании армирующих элементов, предварительно пропитанных полимерным материалом, через нагретую формообразующую фильеру, в которой происходит процесс полимеризации связующего полимера.

Армирующие элементы в исходном состоянии пропускаются через преформовочное устройство, которое придает им желаемую форму и выравнивает волокна. После прохождения преформовочного устройства элементы протягиваются через инжекционный бокс (ванна), где они пропитываются связующим полимером и подаются в нагретую фильеру.

На фильере, которая определяет форму профиля, создают несколько зон нагрева, и обеспечивают оптимальные для процесса полимеризации температурный профиль. Температурный профиль задает система управления в зависимости от изделия и скорости протяжки. Под действием тепла полимерная матрица обволакивает армирующие элементы, и происходит процесс полимеризации, после чего происходит твердение композиции при заданном температурном режиме.

Результатом является армированный профиль заданной конфигурации, имеющий сечение, задаваемое фильерой, и стабильные свойства, как по длине, так и по сечению. Он извлекается из фильеры тянущим устройством и направляется к отрезной машине для нарезки на готовые изделия, причем их длина не ограничена и определяется потребностями заказчика или возможностями транспортировки.

Пултрузионная технология позволяет получать тонкостенные прямолинейные изделия с профилем произвольной формы (стержень, труба, уголок, пластина, швеллер, короб и т.д.) и высокой скоростью производства до 3 метров в минуту. Ограничение по скорости процесса определяется скоростью полимеризации смол и качеством продукции.

Области применения пултрузионного профиля:

• изготовление шпунтов;

• профиль для изготовления окон;

• системы вентиляции;

• арматура для бетона;

• шумозащитные экраны;

• электроизоляторы;

• прочие изделия.

1.2. Сведения о композитном шпунте корытного профиля ШК-150

К основным преимуществам шпунта ШК-150 (Рисунок 1.2) относят:

• высокую прочность и несущую способность;

• экологическую безопасность;

• эстетичный внешний вид;

• стойкость к коррозии и агрессивным средам;

• долговечность (не менее 50 лет);

• легкость и простота в установке.

Рисунок 1.2 - Композитные шпунтовые сваи корытного профиля ШК-150 Конструктивно композитный шпунт представляет собой систему армирующих элементов - стеклянных ровингов, распределенных внутри полимерного связующего. По периметру конструкция «укрыта» биаксиальной стеклотканью. Конструкция композитного шпунта показана на рисунке 1.3.

стеклоткань

Рисунок 1.3 - Конструкция композитного шпунта Исходя из свойств композитного шпунта, производитель позиционирует его не только как замену ПВХ-шпунту, обладающему довольно низкой несущей способностью и прочностью, но и считает его сопоставимым с металлическими шпунтовыми сваями.

Исходя из характеристик и свойств композитного шпунта, возможные сферы его применения:

• Берегоукрепление, возведение защитных сооружений от паводков и наводнений;

• Укрепление склонов и откосов;

• Крепление стен котлованов;

• Строительство марин, причалов;

• Противофильтрационные завесы;

• Стабилизация дорожного полотна;

• Спрямление русла рек;

• Организация шламохранилищ, химически-активных хранилищ;

• Создание искусственных водоемов.

1.2.1. Характеристики композитного шпунта ШК-150

Технические характеристики шпунтовой сваи ШК-150 представлены в таблице 1.1. Сечение шпунта с основными размерами показано на рисунке 1.4.

Таблица 1.1 - Характеристики шпунтовой сваи ШК-150

ШК-150 Площадь сечения Масса Момент инерции Момент сопротивления Несущая способность

1х Щс Мх

см2 кг см4 см3 кНм

Б- одинарная; 48,29 10,39 1684 210,57 236,46

Э - двойная; 96,58 20,78 3368 421,13 472,92

Для метра стенки 80,48 17,32 2806 350,95 394,10

Рисунок 1.4 - Сечение композитного шпунта корытного профиля ШК-150 1.2.2. Результаты ранее проводимых испытаний шпунта ШК-150

В 2012 г. были проведены контрольные испытания шпунта с целью определения физико-механических параметров композитного шпунта. В рамках испытания определялись геометрические характеристики сечения шпунта ШК-150 и механические характеристики образцов материала.

Результаты, полученные в ходе испытаний образцов материала, , представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Результаты определения механических характеристик шпунта ШК-150, полученные в ходе испытаний образцов материала

Наименование характеристики Ед. изм. Значение

Предел прочности при продольном растяжении, Я МПа 1126

Предел прочности при поперечном растяжении, Я МПа 262

Продольный модуль растяжения, Ех МПа 46200

Поперечный модуль растяжения, Еу МПа 18100

Кроме этого, в 2013г. проведены испытания на старение по методике ГОСТ 9.708-83.

Испытания композитных свай проводились при циклических температурно-влажностных воздействиях, характерных для климатических условий центральных районов России. Один цикл, включающий двукратное понижение температуры до -50оС, чередующееся с нагревом образцов до +50оС и последующей выдержкой в воде, эквивалентен по температурно-влажностному воздействию одному условному году эксплуатации в климатических условиях центральной России. Всего было проведено 90 циклов испытаний образцов. После каждых 30 циклов испытаний проводилось измерение физико-механических характеристик образцов.

При оценке количества условных лет эксплуатации 90 циклов испытаний приняты за 50 лет эксплуатации с учетом коэффициента запаса. По окончании испытаний физико-механические характеристики образцов не уменьшились, либо понизились менее чем на 5%. Изменение формы образцов отсутствовало. 1.3. Сведения о композитном шпунте Z-профиля СР-7 1.3.1. Характеристики композитного шпунта СР-7

Технические характеристики шпунтовой сваи GP-7 представлены в таблице 1.3. Сечение шпунта с основными размерами показано на рисунке 1.5.

Таблица 1.3 - Характеристики шпунтовой сваи GP-7

GP-7 Площадь сечения, см2 Масса, кг Момент инерции /х, см4 Момент сопротивления Щс, см3 Несущая способность Мх, кНм *

S— одинарная; 58,01 10,39 5756,01 460,48 87,7

Для метра стенки 116,02 17,32 11512,02 920,96 175,4

* - несущая способность с учетом коэффициента запаса прочности 2,0

Рисунок 1.5 - Сечение композитного шпунта 7-профиля GP-7 1.3.2. Результаты ранее проводимых испытаний шпунта СР-7

Испытания композитного шпунта GP-7 проводились в 2014 г. на образцах материала, по результатам испытаний были сформированы технические требования к композиту, представленные в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Технические требования к материалу композитных шпунтовых свай GP-7

№ Свойства Ед. изм. Требования Стандарт

1 Плотность кг/см3 1790 - 1850 РК-БК КО 1183-1:201306

2 Предел прочности при продольном растяжении МПа 381,0 ± 20 РК-БК КО 527-4:2000

3 Модуль упругости при продольном растяжении ГПа 36,9 ± 2,3 РК-БК КО 527-4:2000

4 Модуль упругости при поперечном растяжении ГПа 6,0 ± 1,0 РК-БК КО 527-4:2000

5 Предел прочность при продольном изгибе МПа 647 ± 24 РК-БК КО 14125:2001

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Немолочнов Антон Георгиевич, 2020 год

Список литературы

1. Байковский Д.Ю. Использование пластиковых шпунтов в строительстве/ Д.Ю. Байковский, Н.А. Филатов // Научные исследования в области технических и технологических систем: сборник статей Международной научно-практической конференции. - Казань: НИЦ АЭТЕРНА, 2018. - С. 19-22.

2. Байковский Д.Ю. Оценка возможности использования ПВХ шпунта для берегоукрепительных сооружений / Д.Ю. Байковский, Н.А. Филатов // Актуальные проблемы современной когнитивной науки: сборник статей Международной научно-практической конференции. - Саратов: НИЦ АЭТЕРНА, 2018. - С.47-50.

3. Бояринцев А.В. Анализ применения композитных материалов в геотехнике/

A.В. Бояринцев, С.В. Ланько // IV Международная научно-практическая молодежная конференция по геотехнике: сборник материалов. - Тюмень: ТИУ, 2018. - С.5-10.

4. Верстов В. В. Обоснование рациональных видов воздействий при погружении в грунт полимерного шпунта / В. В. Верстов, Е.Н. Филиппов // Вестник гражданских инженеров. - 2011. - № 4 (29). - С. 74-81.

5. Верстов В. В. Результаты исследования параметров вибрационного погружения полимерного шпунта в грунт при водохозяйственном строительстве /

B. В. Верстов, Е.Н. Филиппов // Вестник гражданских инженеров. - 2013. - № 1 (36). - С. 94-101.

6. ГОСТ Р 56786-2015. Композиты полимерные. Метод определения предела прочности при сдвиге в плоскости армирования. - М.: Стандартинформ, 2016. -12 с.

7. ГОСТ Р 56800-2015. Композиты полимерные. Определение механических свойств при растяжении неармированных и армированных материалов. - М.: Стандартинформ, 2016. - 26 с.

8. ГОСТ Р 56810-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на изгиб плоских образцов. - М.: Стандартинформ, 2016. - 24 с.

9. ГОСТ Р 57942-2017. Шпунт композитный полимерный. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2017. - 20 с.

10. ГОСТ 9.708-83 (СТ СЭВ 3758-82). Единая система защиты от коррозии и старения. Пластмассы. Методы испытаний на старение при воздействии естественных и искусственных климатических факторов. - М.: Издательство стандартов, 1984. - 11 с.

11. ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78). Пластмассы. Метод испытания на растяжение (с Изменением №1). - М.: Издательство стандартов, 1986. - 11 с.

12. ГОСТ 4651-82 (СТ СЭВ 2896-81). Пластмассы. Метод испытания на сжатие (с Изменением №1). - М.: Издательство стандартов, 1998. - 6 с.

13. ГОСТ 4651-2014 (ISO 604:2002). Пластмассы. Метод испытания на сжатие. - М.: Стандартинформ, 2014. - 20 с.

14. ГОСТ 9550-81. Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе). - М.: Издательство стандартов, 2004. - 6 с.

15. Гриценко В.А. Применение пластиковых шпунтовых свай в строительстве / В.А. Гриценко, А.С. Нестеров // Техника и технологии строительства. - 2015. -№4. - С. 65-71.

16. Гуревич В.Б. Речные портовые гидротехнические сооружения / В.Б. Гуревич - М.: Транспорт, 1969. - 416 с.

17. Зайцев А. К. Укрепление береговой линии реки Смоленки с помощью композитных шпунтовых свай / А. К. Зайцев, Д.С. Мурашова // Вестник гражданских инженеров. - 2018. - № 1. - С. 64-67.

18. Илюхин Д.А. Сваи из ультракомпозитного материала - новая эра в строительстве/ Д.А. Илюхин // Гидротехника. - 2012. - № 2. - С.66-67.

19. Илюхин Д.А. Экологические решения обустройства шламовых амбаров/ Д.А. Илюхин // Бурение и нефть. - 2012. - № 3. - С. 37-38.

20. Караваев Р.Ю. Конструкционный стеклопластик нового поколения для изготовления элементов шпунтовых ограждений различного типа/ Р.Ю. Караваев, К.И. Донецкий // Современное материаловедение: традиции отечественных научных школ и инновационный подход: материалы Всероссийской молодежной

научно-технической конференции (г. Геленджик, 28-29 сент. 2017 г.) - М.: ВИАМ, 2017. - С.99-118.

21. Квитко А. В. Результаты испытаний композитных стеклопластиковых свай / А. В. Квитко // Вестник гражданских инженеров. - 2015. - № 6 (53). - С. 88-93.

22. Кириллов В. М. Сравнение отечественных и европейских методик расчета больверков / В.М. Кириллов, П.Л. Романов // Журнал университета водных коммуникаций. - 2010. - № 2. - С. 190-194.

23. Клейн Г.К. Расчет подпорных стен / Г.К. Клейн - М.: «Высшая школа», 1964. - 195 с.

24. Коваленко Р.Г. Анализ изменения несущей способности больверка с учетом коррозии шпунтовой стенки / Р.Г. Коваленко // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2008. - № 3. - С. 43-51.

25. Кокорева К. А. Шпунты из ультракомпозитных материалов в гидротехническом строительстве / K.A. Кокорева, Н.Д. Беляев, А.И. Ялышев // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2015. - № 4. - С. 163-172.

26. Кокорева К. А. Анализ возможности применения шпунта из ультракомпозитных материалов в гидротехническом строительстве / К.А. Кокорева, А.В. Колгушкин, А.И. Ялышев // Сборник докладов молодежной научно-практической конференции в рамках XLШ Недели науки СПбПУ (г. Санкт-Петербург, 1-6 декабря 2014 г.) - СПб.: СПбПУ, 2014. - С.21-23.

27. Кокорева К. А. Расчетное обоснование применения шпунта из ультракомпозитных материалов в гидротехническом строительстве / К.А. Кокорева, А.И. Ялышев // Сборник докладов молодежной научно-практической конференции в рамках XLШ Недели науки СПбПУ (г. Санкт-Петербург, 1-6 декабря 2014 г.) - СПб.: СПбПУ, 2014. - С.24-26.

28. Колосов М.А. Уязвимость стальных больверков/ М.А. Колосов, В.В. Гольчинский, Т.Ю. Никитина // Гидротехническое строительство. - 2014. - №4. -С. 41-43.

29. Корчагин Е.А. Зависимость характеристик больверков от метода расчета / Е.А. Корчагин, И.Н. Вишняков // Вестник МГСУ. - 2010. - №4. - С. 198-201.

30. Левачев С.Н Порты и портовые сооружения: Учебное издание / С.Н. Левачев, Е.А. Корчагин, С.И. Пиляев, И.Г. Кантаржи, Л.А. Шурухин - М.: Издательство АСВ, 2015. - 536 с.

31. Левачев С.Н. Причальная конструкция с жестким анкерным устройством / С.Н. Левачев, И.М. Галимов, А. Г. Немолочнов, В.В. Филиппов, Н.А. Зубачев // Гидротехническое строительство. - 2018. - № 10. - С. 31-36.

32. Ляхова Л.Г. Анализ возможности применения шпунта из ультракомпозитных материалов в гидротехническом строительстве / Л.Г. Ляхова, А.А. Иодчик // Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного комплекса. - 2016. - №1. - С. 423-426.

33. Макаренко А. В. Применение композитных материалов для защиты портовых сооружений от коррозии и механических повреждений / А. В. Макаренко, С. В. Мамонов, И. О. Осина // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2018. - № 5. - С. 572-578.

34. Маркович Р.А. Коррозия морских гидротехнических сооружений / Р.А. Маркович, А.В. Колгушкин // Гидротехника. - 2009. - № 2. - С. 72-75.

35. Меньшиков Е.А. Применение композитного шпунта в гидротехническом строительстве / Е.А. Меньшиков, И.А. Румянцева // Сборник докладов международной молодежной научной конференции «Прочность, ползучесть и разрушение строительных и машиностроительных материалов и конструкций» (г. Москва, 18-21 ноября 2014 г.) - М.: РУДН, 2014. - С. 184-190.

36. Михайлов А.В. Гидросооружения водных путей, портов и континентального шельфа. Часть I. Внутренние водные пути: учебник для вузов / А.В. Михайлов; под общ. ред. проф., к.т.н. С.Н. Левачева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: АСВ, 2004. - 448 с.

37. Михасек А.А. О перспективах использования композитных материалов и их модификаций в гидротехническом строительстве / А.А. Михасек // Природоохранные и гидротехнические сооружения: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки специалистов: материалы Международной научно-технической конференции - Самара: СГАСУ, 2014. - С. 365-367.

38. Михасек А. А. Особенности строительства берегоукрепления с использованием композитного шпунта / А.А. Михасек // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Сборник статей - Самара: СГАСУ, 2015. - С.210-212.

39. Немолочнов А.Г. Исследование композитного шпунта / А.Г. Немолочнов // В сборнике: Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Сборник трудов Восемнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Москва: НИУ МГСУ, 2015. - С.388-391.

40. Немолочнов А.Г. Испытания композитного шпунта / А.Г. Немолочнов // В сборнике: Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. Сборник материалов международной научной конференции. -Москва: НИУ МГСУ, 2017. - С.954-959.

41. Немолочнов А.Г. Испытания композитных шпунтовых свай Z-профиля / А.Г. Немолочнов, С.Н. Левачев, И.М. Галимов // В сборнике: Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. Сборник материалов VI Международной научной конференции. - Москва: НИУ МГСУ, 2018. - С.213-216.

42. Немолочнов А.Г. Композитные шпунтовые сваи: номенклатура, опыт применения / А.Г. Немолочнов, С.Н. Левачев // Транспортное строительство. -2016. - № 7. - С. 8-11.

43. Немолочнов А.Г. Результаты лабораторных испытаний композитных шпунтовых свай ШК-150 / А.Г. Немолочнов, С.Н. Левачев, И.М. Галимов, Н.А. Зубачев // Гидротехническое строительство. - 2019. - № 8. - С. 18-21.

44. Платонов В.В. Применение конструкций из композитных материалов в промышленном строительстве/ В.В. Платонов // СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ - 2016. XVII Международная молодежная научная конференция: сб. материалов в 6-ти частях (Ухта, 23-25 марта 2016 г.) - Ухта: УГТУ, 2016. - С. 193-196.

45. Потанин П.Г. Применение композитных шпунтовых свай как надежная защита прибрежных территорий Российской Федерации / П.Г. Потанин // Защита

экосистем прибрежных территорий и развитие регионов: материалы Всероссийской научно-практической конференции (г. Рыбинск, 25-26 октября 2017 г.) - Рыбинск: РГАТУ, 2017. - С. 107-112.

46. Рагулин К.Г. Коррозионный износ причальных стенок в различных условиях / К.Г. Рагулин, Д.А. Сердюков, М.В. Черных // Материалы научного форума с международным участием «Неделя науки СПБПУ» - СПб.: СПБПУ, 2015. - С.9-11.

47. Рассказов Л.Н. Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов / Л.Н. Рассказов, В.Г. Орехов, Н.А. Анискин, В.В. Малаханов, А.С. Бестужева, М.П. Саинов, П.В. Солдатов, В.В. Толстиков - М.: Издательство АСВ, 2008. - 576 с.

48. Рассказов Л.Н. Гидротехнические сооружения. Часть 2. Учебник для вузов / Л.Н. Рассказов, В.Г. Орехов, Н.А. Анискин, В.В. Малаханов, А.С. Бестужева, М.П. Саинов, П.В. Солдатов, В.В. Толстиков - М.: Издательство АСВ, 2008. - 528 с.

49. РД 31.35.10-86 Правила технической эксплуатации портовых сооружений и акваторий. - М.: В/О «Мортехинформреклама», 1988. - 200 с.

50. Ренгач В.Н. Шпунтовые стенки (Расчет и проектирование)/ В.Н. Ренгач -Ленинград: Стройиздат, 1970. - 106 с.

51. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменением N 1). - М., 2017. - 79 с.

52. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. - М., 2017. - 160 с.

53. СП 23.13330.2018 Основания гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.02-85. - М., 2019. - 57 с.

54. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция. СНиП 2.02.03-85. - М., 2011. - 83 с.

55. СП 58.13330.2012 Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003. М., 2012. - 39 с.

56. СП 101.13330.2012. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87. М., 2012. - 74 с.

57. СП 287.1325800.2016 Сооружения морские причальные. Правила проектирования и строительства. - М., 2016. - 202 с.

58. СП 381.1325800.2018 Сооружения подпорные. Правила проектирования. -М., 2018. - 109 с.

59. Справочник геотехника. Основания Фундаменты и подземные сооружения. - М.: АСВ, 2014. - 728 с.

60. Тимошенко С.П Сопротивление материалов, т. I / С.П. Тимошенко - М.: Издательство «Наука», 1965. - 364 с.

61. Тимошенко С.П Сопротивление материалов, т. II / С.П. Тимошенко - М.: Издательство «Наука», 1965. - 480 с.

62. Тищенко О.Н. Исследование прочностных свойств полимерных шпунтовых ограждений и их применимость в различных грунтовых условиях/ О.Н. Тищенко, В.А. Лесной // Сборник статей по материалам XI Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной 95-летию Кубанского ГАУ и 80-летию со дня образования Краснодарского края - Краснодар: КубГАУ, 2017. - С. 861-862.

63. Филиппов Е.Н. Вибрационная технология погружения и извлечения полимерного шпунта: дис. ...канд. техн. наук: 05.23.08 / Филиппов Евгений Николаевич - СПб., 2012. - 114 с.

64. Филиппов Е.Н. Основные положения вибрационной технологии погружения полимерного шпунта и ее технико-экономическая эффективность / Е.Н. Филиппов // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 4 (33). - С. 146-148.

65. Фудзи Т. Механика разрушения композиционных материалов/Т. Фудзи, М. Дзако - М.: Мир, 1982. - 113 с.

66. Bdeir Z. Deflection-based design of fiberglass polymer (FRP) composite sheet pile wall in sandy soil: Degree: M.Eng. / Zeid Bdeir. - McGill University, Montreal, Canada, 2003. - 112 pp.

67. EN 1993-5:2007 Eurocode 3: Design of steel structures - Part 5: Piling - 94 с.

68. Ferdous W. Short-term flexural behavior of concrete filled pultruded GFRP cellular and tubular sections with pin-eye connections for modular retaining wall construction/ W. Ferdous, A.D. Almutairi, Y. Bai, Y. Huang// Composite Structures. -2018. - № 206. - P. 1-10.

69. Ferdous W. Modular assembly of water-retaining walls using GFRP hollow profiles: components and connection performance/ W. Ferdous, Y. Bai, A.D. Almutairi, S. Satasivam, J. Jeske// Composite Structures. - 2018. - № 194. - P. 1-11.

70. Giroux C. Flexural and shear rigidity of composite sheet piles / C. Giroux, Y. Shao //J. Composites for Construction, ASCE. - 2003. - № 7 4. - P. 348-355.

71. Levachev S.N. Mooring Structure with rigid anchorage / S.N. Levachev, I.M. Galimov, V.V. Filippov, N.A. Zubachev, A.G. Nemolochnov // Power Technology and Engineering. - 2019. - T. 52. № 6. - C. 652-656.

72. Shanmugam J. Moment capacity and deflection behavior of pultruded FRP composite sheet piles: Degree: M.Eng. / Jayasiri Shanmugam. - McGill University, Montreal, Canada, 2004. - 131 pp.

73. Shao Y. Characterization of a pultruded FRP sheet pile for waterfront retaining structures / Y. Shao // J. Materials in Civil Engineering, Special Issue: Innovative Material and Technologies for Construction and Restoration. - 2006. - №18 5. - P. 626-633.

74. Shao Y. Durability of fibreglass sheet piles in water / Y. Shao, S. Kouadio // J. Composites for Construction. - 2002. - №6 4. - P. 280-287.

75. Shao Y. Deflection creep of pultruded composite sheet piling / Y. Shao, J. Shanmugam // J. Composites for Construction. - 2004. - №8 5. - P. 471-479.

76. Shao Y. Moment capacities and deflection limits of PFRP sheet piles / Y. Shao, J. Shanmugam // J. Composites for Construction. - 2006. - №10 6. - P. 520-528.

77. Wang J. Analytical and experimental study on flexural behavior of pultruded fibre reinforced polymer sheet piles / J. Wang, W.Q. Liu, R.F. Liang, H. GangaRao, L. Wan // J. of Composite Materials. - 2016. - №50 24. - P. 3415-3429.

78. Zyka K. Composite piles: A review / K. Zyka, A. Mohajerani // Construction and Building Materials. - 2016. - №107. - P. 394-410.

Приложение 1. Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Публикации в изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий:

1. Немолочнов А.Г. Композитные шпунтовые сваи: номенклатура, опыт применения / А.Г. Немолочнов, С.Н. Левачев // Транспортное строительство. -2016. - № 7. - С. 8-11.

2. Левачев С.Н. Причальная конструкция с жестким анкерным устройством / С.Н. Левачев, И.М. Галимов, А. Г. Немолочнов, В.В. Филиппов,

H.А. Зубачев // Гидротехническое строительство. - 2018. - № 10. - С. 31-36.

3. Немолочнов А.Г. Результаты лабораторных испытаний композитных шпунтовых свай ШК-150 / А.Г. Немолочнов, С.Н. Левачев, И.М. Галимов, Н.А. Зубачев // Гидротехническое строительство. - 2019. - № 8. - С. 18-21.

Статьи, опубликованные в журналах, индексируемых в международных реферативных базах Scopus, Web of Science и другие:

4. Levachev S.N. Mooring Structure with rigid anchorage / S.N. Levachev,

I.M. Galimov, V.V. Filippov, N.A. Zubachev, A.G. Nemolochnov // Power Technology and Engineering. - 2019. - Т. 52. № 6. - С. 652-656.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

5. Немолочнов А.Г. Исследование композитного шпунта / А.Г. Немолочнов // В сборнике: Строительство - формирование среды жизнедеятельности. Сборник трудов Восемнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Москва: НИУ МГСУ, 2015. - С.388-391.

6. Немолочнов А.Г. Испытания композитного шпунта / А.Г. Немолочнов // В сборнике: Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. Сборник материалов международной научной конференции. -Москва: НИУ МГСУ, 2017. - С.954-959.

7. Немолочнов А.Г. Испытания композитных шпунтовых свай 7-профиля / А.Г. Немолочнов, С.Н. Левачев, И.М. Галимов // В сборнике: Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. Сборник материалов VI Международной научной конференции. -Москва: НИУ МГСУ, 2018. - С.213-216.