Влияние состава почвогрунта на погружаемые проволочные анкеры с коническими и поворотными наконечниками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(27), 2017 г., [73-82]

УДК 624.131.3

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет)

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОЧВОГРУНТА НА ПОГРУЖАЕМЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ АНКЕРЫ С КОНИЧЕСКИМИ И ПОВОРОТНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ

М.А. Еналдиева

М.В. Худоян

Оползневые процессы грунтов отрицательно влияют на экологическую обстановку, нарушают целостность инженерной и транспортной инфраструктуры, снижают устойчивость объектов недвижимости, безопасность проживания людей.

В настоящее время одним из основных мероприятий по стабилизации оползневых процессов является механическое удержание деформированных в равновесном состоянии грунтов и искусственное их закрепление с помощью проволочных анкеров, которые более эффективны, чем подпорные стенки и откосные крепления [1]. Но при этом они подвержены почвенной коррозии, интенсивность которой зависит от ряда показателей грунтов.

Первый из этих показателей - это влажность грунта. Особо сильное влияние на скорость почвенной коррозии оказывает влажность грунта, способствующая превращению почвы в электролит, что вызывает электрохимическую коррозию металлоконструкций в грунте [2, 3]. Грунт, содержащий влагу, гравитационный, капиллярный, связанный. Особое воздействие на скорость почвенной коррозии оказывает капиллярная влага: высокая скорость при влажности грунта 15-25 % (критический показатель влаги для грунта), этим объясняется снижение омического сопротивления элементов коррозии. Увеличение влажности почвы анодного процесса облегчено (ввиду затруднения пассивации поверхности металла), катодного - затруднено, поскольку грунт, насыщенный влагой, затрудняет его аэрацию. Глинистые грунты насчитывают 12-25 %, песчаные - 10-20 %.

Вторым показателем является пористость, или воздухопроницаемость, грунта, что способствует долгосрочному удержанию влаги и аэрации. Состав грунта влияет на пористость и, как следствие, на его плотность и влажность. Песчаные грунты, пропускающие воздух, являются более агрессивными, катодный процесс в них протекает с облегчением.

Следующий элемент по значимости и силе разрушения металлоконструкций - кислотность грунта. Большинство грунтов имеет рН = 6,0…7,5. Почвы с рН = 3,0…6,0 именуются высококоррозионными, к ним относятся болотистые грунты, торфяные почвы. Щелочные солончаки и суглинки характеризуются рН = 7,5…9,5. Грунты с содержанием органических кислот (чернозем) обладают высокоагрессивной по отношению к свинцу, стали, меди, цинку средой. Подзол - наиболее агрессивная почва, разрушающая металлоконструкции. Коррозия стали в подзоле происходит в 5 раз быстрее, чем в других грунтах. Почвенная коррозия ускоряется кислотностью грунтов ввиду растворимости вторичных продуктов коррозии по причине возникновения дополнительной катодной деполяризации ионами водорода.

Микроорганизмы почвы делятся на аэробные, существующие только при наличии кислорода, и анаэробные, для обеспечения жизни которых кислород не требуется. Биохимическая коррозия (биокоррозия) - почвенная коррозия погружаемых металлических сооружений (анкеров), вызванная живыми микроорганизмами. Почвенные (аэробные) микроорганизмы действуют по двум направлениям: осаждение железа, окисление серы. Среда с кислотностью рН = 3,0…6,0 является оптимальной для существования анаэробных серобактерий (максимум 10 %), окисляющих сероводород в серу, а затем в серную кислоту.

В связи с этим целью исследований является совершенствование противооползневых сооружений из проволочных анкеров с коническими и поворотными наконечниками, материал которых способен эффективно противостоять почвенной коррозии.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях (рисунки 1, 2). По результатам предварительных исследований были выбраны основные факторы. В основе исследований лежит активный эксперимент, так как есть возможность активно влиять на основные факторы в соответствии с принятым планом эксперимента [4-6].

Рисунок 1 - Экспериментальная установка (автор фото М. А. Еналдиева)

Рисунок 2 - Эскизные модели поворотных наконечников для проволочных анкеров (автор фото М. А. Еналдиева)

Проанализировав все факторы, можно прийти к выводу, что основными влияющими на эффективную работу являются приведенные кодированные значения факторов (таблицы 1, 2).

Таблица 1 - Уровни варьирования основных факторов анкера с конусным наконечником В см

Таблица 2 - Уровни варьирования основных факторов анкера с поворотным наконечником В см

В качестве параметра оптимизации выбрана сила выдергивания.

Для проведения многофакторного эксперимента и выявления математической модели процесса регулирования был реализован рототабельный трехуровневый план Бокса - Бенкина второго порядка, минимизирующий число опытов при одновременном варьировании всех исследуемых факторов, по своим статистическим характеристикам близкий к -оптимальным планам. Применение таких планов позволяет проанализировать общую картину изучаемого явления, количественно оценить роль факторов и их взаимодействий, провести анализ экспериментов для определения зоны оптимума [6].

Для решения задачи был проведен эксперимент. Матрица плана эксперимента, интервалы и уровни варьирования факторов приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Матрица плана проведения исследований анкеров с конусным наконечником

Таблица 4 - Матрица плана проведения исследований анкеров с поворотным наконечником

Результаты и обсуждение. Цель эксперимента достигается в результате изменения условий осуществления опытов, т. е. значений факторов. Значения, которые могут принимать факторы, есть их уровни. В нашем планируемом эксперименте уровни факторов заданы заранее [7, 8].

Квадратные модели, описывающие параметр оптимизации, имеют общий вид [5, 6]: противооползневый сооружение наконечник коррозионный

где - свободный член уравнения, т. е. средний выход функции оптимизации;

- коэффициенты при линейных взаимодействиях;

- коэффициенты при парных взаимодействиях;

- коэффициенты при квадратичных эффектах;

- коэффициенты при смешанных взаимодействиях с числом переменных выше трех.

Регрессионный анализ проводится по методу наименьших квадратов (МНК).

Определять коэффициенты уравнения регрессии будем в матричной форме [6]. Исходная система уравнений в матричной форме имеет вид:

,

где - входная контролируемая переменная.

После преобразований значения коэффициентов уравнения регрессии в матричной форме можно определить по формуле:

,

где - транспонированная матрица.

Разработанное уравнение регрессии для проволочных анкеров с коническими наконечниками, которое адекватно описывает изучаемый процесс, имеет вид:

,

где , , - факторы в кодированном виде.

Разработанное уравнение регрессии для проволочных анкеров с поворотными наконечниками, которое адекватно описывает изучаемый процесс, имеет вид:

.

Для оценки адекватности полученных регрессионных уравнений проверяют гипотезу об адекватности модели по критерию Фишера [6]. Модель адекватна, если расчетное (опытное) значение критерия Фишера не превышает его табличного значения , при этом -гипотеза принимается и ее можно использовать для дальнейшего статистического анализа и интерпретации результатов эксперимента [9-11].

Выводы

В процессе исследований установлено, что основными факторами, влияющими на эффективную работу проволочных анкеров с конусным наконечником, являются величина заглубления, диаметр основания и высота конуса. Для поворотного наконечника это величина заглубления, диаметр и длина цилиндрической части. Исследования проведены с использованием математической теории планирования эксперимента. В качестве параметра оптимизации выбрана сила выдергивания. Составлены матрицы плана проведения исследований анкеров с конусными и поворотными наконечниками. Данный процесс описан в виде математической модели.

В результате исследований выполнена проверка адекватности модели по критерию Фишера, расчетное значение критерия Фишера = 1,876, табличное значение = 2,637. В связи с тем, что < , уравнение регрессии признано адекватным экспериментальным данным на уровне значимости 0,05, что соответствует доверительной вероятности = (1 - 0,05) ЧЧ 100 % = 95,0 %.

В процессе проведения дальнейших исследований коррозионных процессов особое внимание следует уделить почвогрунтам и мероприятиям по уменьшению коррозии проволочных наконечников, выполненных из металла.

Список использованных источников

1 Пат. 2435906 Российская Федерация, МПК Е 02 D 17/20. Способ закрепления горных склонов от оползней / Еналдиева М. А.; заявитель и патентообладатель Еналдиева М. А. - № 2010123161/03; заявл. 07.06.10; опубл. 10.12.11, Бюл. № 34. - 6 с.

2 Кузнецов, Е. В. Сельскохозяйственный мелиоративный комплекс для устойчивого развития агроландшафтов: практикум к проведению лаборатор. работ / Е. В. Кузнецов, А. Е. Хаджиди. - Краснодар: ЭДВИ, 2014. - 200 с.

3 Глушков, Г. И. Расчет сооружений, заглубленных в грунт / Г. И. Глушков. - М.: Стройиздат, 1977. - 175 с.

4 Адлер, Ю. П. Введение в планирование эксперимента / Ю. П. Адлер. М.: Металлургия, 1969. - 157 с.

5 Сидняев, Н. И. Введение в теорию планирования эксперимента / Н. И. Сидняев, Н. Т. Вилисова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 463 c.

6 Власов, К. П. Методы исследований и организация экспериментов / К. П. Власов. - Харьков: Гуманитарный центр, 2013. - 412 с.

7 Васильев, С. М. Противооползневые гибкие подпорные сооружения и оценка конструктивных решений / С. М. Васильев, Е. А. Акбашева // Современные проблемы науки и образования: электрон. науч. журн. - 2015.

8 Вознесенский, Н. А. Принятие решений по статистическим моделям / Н. А. Вознесенский, А. Ф. Ковальчук. - М.: Статистика, 1978. - 192 с.

9 Домашенко, Ю. Е. Прогноз местных размывов на сопрягающих сооружениях Донского магистрального канала для предотвращения развития оползневых процессов / Ю. Е. Домашенко, С. М. Васильев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2015. - № 110(06). - С. 496-506.

10 Васильева, Е. В. Повышение эффективности оросительных систем на местном стоке инновационными средствами предупреждения дефектов прудовых плотин / Е. В. Васильева, С. М. Васильев // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2015.

11 Васильев, С. М. Оползни и их проявление на территории Ростовской области / С. М. Васильев, А. В. Акопян // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2016. - № 1(41). - С. 177-184.

Аннотация

Целью исследований является совершенствование противооползневых сооружений из проволочных анкеров с коническими и поворотными наконечниками. В основе проведенных исследований лежат технические решения, запатентованные в Российской Федерации. Выбраны и проанализированы основные параметры предлагаемых противооползневых сооружений. Для конусного наконечника это величина заглубления, диаметр основания и высота конуса. Для поворотного наконечника это величина заглубления, диаметр и длина цилиндрической части. Исследования проведены с использованием математической теории планирования эксперимента. В качестве параметра оптимизации выбрана сила выдергивания. Составлены матрицы плана проведения исследований анкеров с конусными и поворотными наконечниками. Данный процесс описан в виде математической модели. Рассчитаны коэффициенты регрессии. Адекватность установлена двумя способами: по коэффициенту корреляции и по критерию Фишера. В процессе проведения исследований выполнена проверка адекватности модели по критерию Фишера. Расчетное значение критерия Фишера FR = 1,876, табличное значение критерия Фишера F = 2,637. В связи с тем, что FR < F, уравнение регрессии признано адекватным экспериментальным данным на уровне значимости 0,05, что соответствует доверительной вероятности P = (1 - 0,05) Ч 100 % = 95,0 %. В процессе изучения коррозионных процессов особое внимание следует уделить почвогрунтам и мероприятиям по уменьшению коррозии проволочных наконечников, выполненных из металла.

Ключевые слова: противооползневое сооружение, анкер с коническим и поворотным наконечником, оптимизация параметров, коэффициент корреляции, статистический критерий, адекватность.

The aim of research is to improve the anti-landslide structures from wire ties with conical and swivel tips. The research is based on technical solutions patented in the Russian Federation. The main parameters of the proposed landslide structures were selected and analyzed. For a conical tip, this is the depth, the the base diameter and the height of the tip. For the swivel tip, this is the burial depth, diameter and length of the cylindrical part. The research was carried out using the mathematical theory of experiment planning. As an optimization parameter, the pull-out force is selected. The matrices of the plan for the study of ties with conical and swivel tips are compiled. This process is described in the form of correlation coefficient and by the Fisher criterion. In the process of carrying out the research, the adequacy of the model was tested by the Fisher criterion. The estimated value of the Fisher criterion is FR = 1.876, the table value of the Fisher criterion is F = 2.637. Due to the fact that FR < F, the regression equation was found to be adequate to the experimental data at a significance level of 0.05, which corresponds to the confidence probability P = (1 - 0.05) Ч 100 % = 95.0 %. In the process of corrosion processes study, special attention should be given to soil grounds and measures to reduce the corrosion of wire ends made of metal.

Key words: anti-landslide structure, anchor with conical and rotary tip, optimization of parameters, correlation coefficient, statistical criterion, adequacy.

Размещено на Allbest.ru