Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2707310.22363/1815-5235-2021-17-2-121-132Analysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleJoint operation of the cellular structure as a system “frame - filling ground - base”Совместная работа ячеистой конструкции как системы «каркас - грунт засыпки - основание»https://orcid.org/0000-0002-9892-146XZimnyukovVladimir A.ЗимнюковВладимир Анатольевич

Associate Professor of the Department of Hydrotechnical Structures, Institute of Melioration, Water Management and Construction named after A.N. Kostyakov, Candidate of Technical Sciences

доцент кафедры гидротехнических сооружений, Институт мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова, кандидат технических наук

zimnyukov@rgau-msha.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8405-8757ZborovskayaMarina I.ЗборовскаяМарина Ильинична

Associate Professor of the Department of Hydrotechnical Structures, Institute of Melioration, Water Management and Construction named after A.N. Kostyakov, Candidate of Technical Sciences

доцент кафедры гидротехнических сооружений, Институт мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова, кандидат технических наук

zimnyukov@rgau-msha.ruRussian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural AcademyРоссийский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева20072021172VOL 17, NO2 (2021)ТОМ 17, №2 (2021)12113220072021Copyright ©; 2021, Zimnyukov V.A., Zborovskaya M.I.Copyright ©; 2021, Зимнюков В.А., Зборовская М.И.2021Zimnyukov V.A., Zborovskaya M.I.Зимнюков В.А., Зборовская М.И.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/27073

Relevance. The experience of constructed cellular structures and the results of computational and model studies carried out in our country and abroad to assess the joint work of the complicated complex “cellular frame - soil backfill of cells - foundation” indicates the sufficient reliability of such hydraulic structures. The main difficulty in the design of cellular structures is to reproduce the volumetric work of the complex “cellular frame - backfill soil - foundation soil” to identify structural reserves. Objectives. To study, through laboratory studies, the interaction of the frame and backfill of the cell and the base at different soil moisture, taking into account such factors as the granulometric composition of the backfill soil, the role of the surface tension of moisture contained in the soil, the geometric parameters of the structure itself and a number of other factors. Methods. Experimental studies on the model of the operation of a cellular structure without a bottom on a non-rocky (sandy) foundation for stability, subject to the similarity criteria, as well as studies of cells with different geometry and sizes with changes in moisture and particle size distribution of the soil of the cells. Results. Based on the results of model studies, a dependence is proposed to take into account the effect of surface tension forces, considering the hydraulic radius of the cell cross-section, wetted perimeter, cross-sectional area of the cell, etc. The interaction of the cellular structure with the base is also explored, taking into account the above parameters. The results of laboratory studies on considering the interaction of the frame and backfill of the cell soil at different moisture content of the aggregate, taking into account the granulometric composition of the backfill soil surface tension of moisture contained in the soil, geometric parameters of the structure itself and a number of other factors.

Актуальность. Опыт построенных ячеистых сооружений и результаты расчетных и модельных исследований, выполненных в нашей стране и за рубежом, по оценке совместной работы сложного комплекса «ячеистый каркас - грунт засыпки ячеек - основание» указывают на достаточную надежность таких гидротехнических сооружений. Основная сложность при проектировании ячеистых конструкций состоит в воспроизведении объемной работы комплекса «ячеистый каркас - грунт засыпки - грунт основания» для выявления резервов конструкции. Цели. Изучение путем проведения лабораторных исследований взаимодействия каркаса, грунта засыпки ячейки и основания при различной влажности грунта с учетом таких факторов, как гранулометрический состав грунта засыпки, роль поверхностного натяжения влаги, содержащейся в грунте, геометрические параметры самой конструкции и ряда других. Методы. Экспериментальные исследования на модели работы ячеистой конструкции без днища на нескальном (песчаном) основании на устойчивость при соблюдении критериев подобия, а также исследования ячеек, различающихся геометрией и размерами при изменениях влажности и гранулометрического состава грунта ячеек. Результаты. По результатам модельных исследований предложена зависимость по учету влияния сил поверхностного натяжения принимая во внимание гидравлический радиус поперечного сечения ячейки, смоченный периметр, площадь поперечного сечения ячейки и др. Рассмотрено взаимодействие ячеистой конструкции с основанием согласно указанным выше параметрам. Представлены результаты лабораторных исследований по учету взаимодействия каркаса, грунта засыпки ячейки при различной влажности заполнителя принимая в расчет гранулометрический состав грунта засыпки, поверхностное натяжение влаги, содержащейся в грунте, геометрические параметры самой конструкции и ряд других факторов.

cellular structureframebackfill soilJansen’s formulasurface tensionmoisture content of backfill soilcapillary adhesionsoil granulometric compositionячеистая конструкциякаркасгрунт засыпкиформула Янсенаповерхностное натяжениевлажность грунта засыпкикапиллярное сцеплениегранулометрический состав грунтаZimnyukov V.A., Zborovskaya M.I., Gerasimov M.Yu. Application of cellular structures in hydraulic structures. Problems of Scientific Support for the Development of the Ecological and Economic Potential of Russia: Collection of Materials of the All-Russian Scientific and Technical Conference. Moscow: MGUP Publ.; 2004. p. 45–49. (In Russ.)Зимнюков В.А., Зборовская М.И., Герасимов М.Ю. Применение ячеистых конструкций в гидротехнических сооружениях // Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. М.: МГУП, 2004. С. 45-49.Bakarasova T.V., Zinevich Yu.N., Khozhanazarov E.K. Design, and construction of mudflow protection structures in Kazakhstan: modern stage: 2008–2018. Mudflows: Disasters, Risk, Forecast, Protection: Proceedings of the 5th International Conference (Tbilisi, 1–5 October 2018). Tbilisi: Universal Publ.; 2018. p. 271–282. (In Russ.)Бакарасова Т.В., Зиневич Ю.Н., Хожаназаров Е.К. Проектирование и строительство селезащитных сооружений в Казахстане: современный этап: 2008-2018 // Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита: труды 5-й Международной конференции (Тбилиси, 1-5 октября 2018). Тбилиси: Универсал, 2018. С. 271-282.Lisichkin S.Ye., Rubin O.D., Atabiev I.Zh., Melnikova N.I. Computational studies of the stability and strength of the retaining walls of the first tier of the water intake of the Zagorskaya PSPP. Prirodoobustroistvo. 2012;(2):44–48. (In Russ.)Лисичкин С.Е., Рубин О.Д., Атабиев И.Ж., Мельникова Н.И. Расчетные исследования устойчивости и прочности подпорных стен первого яруса водоприемника Загорской ГАЭС // Природообустройство. 2012. № 2. С. 44-48.Klishin S.V., Revuzhenko A.F. 3D discrete element approach to Janssen’s problem. Journal of Mining Science. 2014;50(3):417–422. https://doi.org/10.1134/S1062739114030028Клишин С.В., Ревуженко А.Ф. Исследование задачи Янсена методом дискретных элементов в трехмерной постановке // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых СО РАН. 2014. № 3. С. 10-16.Zborovskaya M.I. Analysis of the work of cellular structures of hydraulic structures for static and temperature effects (Ph.D. thesis). Moscow: Moscow State University of Environmental Engineering; 1995.Зборовская М.И. Анализ работы ячеистых конструкций гидросооружений на статические и температурные воздействия: дис. … канд. техн. наук. М.: Московский государственный университет природообустройства, 1995.Levachev S.N. Shells in hydraulic engineering. Moscow: Stroyizdat Publ.; 1978. (In Russ.)Левачев С.Н. Оболочки в гидротехническом строительстве. М.: Стройиздат, 1978. 168 с.Engineering and design. Design of sheet pile cellular structures cofferdams and retaining structures. Engineers Manual. US Army Corps of Engineers; 1989.Engineering and design. Design of sheet pile cellular structures cofferdams and retaining structures. Engineer Manual. U.S. Army Corps of Engineers, 1989. P. 32.Matveev Y.I., Kostenko V.I., Khmelev V.N., Genne D.V. Experimental studies of an experimental ultrasonic penetration device on model media simulating the regolith of the moon. South-Siberian Scientific Bulletin. 2018;1(21):42–48. (In Russ.)Матвеев Ю.И., Костенко В.И., Хмелев В.Н., Генне Д.В. Экспериментальные исследования опытного ультразвукового пенетрационного устройства на модельных средах, имитирующих реголит луны // Южно-Сибирский научный вестник. 2018. № 1 (21). С. 42-48.Popova A.V., Tsimbelman N.Ya. Dependence of the strength properties of soils on natural moisture. Vologdinskie Chteniya. 2009;76:3–4. (In Russ.)Попова А.В., Цимбельман Н.Я. Зависимость прочностных свойств грунтов от природной влажности // Вологдинские чтения. Строительство и архитектура. 2009. № 76. С. 3-4.Kosyrev N.A. Porosity as the indicator of change of engineering and geological conditions on the example of construction of buildings in the territory of JSC “KBKHA” of the Voronezh. Proceedings of Voronezh State University. Series: Geology. 2012;(2):218–234. (In Russ.)Косырев И.А. Пористость как индикатор изменения инженерно-геологических условий на примере строительства зданий на территории ОАО «КБХА» города Воронежа // Вестник ВГУ. Серия: Геология. 2012. № 2. С. 218-234.Zimnyukov V.A., Zborovskaya M.I. Taking into account the influence of moisture on the joint work of the backfill soil and the cell frame. Proceedings of the Academy of Problems of Water Management Sciences. Issue 12. Actual problems of water management construction. Moscow: MSU Publ.; 2018. p. 150–158. (In Russ.)Зимнюков В.А., Зборовская М.И. Учет влияния влажности на совместную работу грунта засыпки и каркаса ячейки // Труды Академии проблем водохозяйственных наук. Вып. 12. Актуальные проблемы водохозяйственного строительства М.: МГУ, 2018. С. 150-158.Belov V.V., Novichenkova T.B., Obraztsov I.V. Capillary structurization of raw compositions on the basis of mineral binding substances. Nanotechnology in construction. 2010;(4):23–36. (In Russ.)Белов В.В., Новиченкова Т.Б., Образцов И.В. Капиллярное структурообразование сырьевых композиций на основе минеральных вяжущих веществ // Нанотехнологии в строительстве. 2010. № 4. С. 23-36.Becker A.T., Tsimbelman N.Ya., Chernova T.I. Determination of parameters and verification of the mathematical model of filled shells constructions on compressive foundation. Proceeding of the VNIIG. 2016;280:10–23. (In Russ.)Беккер А.Т., Цимбельман Н.Я., Чернова Т.И. Определение параметров и верификация математической модели конструкций из заполненных оболочек на сжимаемом основании // Известия всероссийского научно-исследовательского института гидротехники имени Б.Е. Веденеева. 2016. № 280. С. 10-23.Program complex MIDAS GTS NX. Available from: http://ru.midasuser.com/web/page.php?no=65 (accessed: 12.09.2020).Программный комплекс MIDAS GТS NX. URL: http://ru.midasuser.com/web/page.php?no=65 (дата обращения: 12.09.2020).Li L., Aubertin M. Horizontal pressure on barricades for backfilled stopes. Part I. Fully drained conditions. Can. Geotech. J. 2009;46:37–46. https://doi.org/10.1139/T08-104Li L., Aubertin M. Horizontal pressure on barricades for backfilled stopes. Part I. Fully drained conditions // Can. Geotech. J. 2009. Vol. 46. Pp. 37-46. https://doi.org/10.1139/T08-104Li L., Aubertin M. Horizontal pressure on barricades for backfilled stopes. Part II. Submerged conditions. Can. Geotech. J. 2009;46:47–56. https://doi.org/10.1139/T08-105Li L., Aubertin M. Horizontal pressure on barricades for backfilled stopes. Part II. Submerged conditions // Can. Geotech. J. 2009. Vol. 46. Pp. 47-56. https://doi.org/10.1139/T08-105Mkadmi N.E., Aubertin M., Li L. Effect of drainage and sequential filling on the behavior of backfill in mine stopes. Can. Geotech. J. 2014;51:1–15. https://dx.doi.org/10.1139/cgj-2012-0462Mkadmi N.E., Aubertin M., Li L. Effect of drainage and sequential filling on the behavior of backfill in mine stopes // Can. Geotech. J. 2014. Vol. 51. Pp. 1-15. https://doi.org/10.1139/cgj-2012-0462Shao L., Zhou X., Zeng H. Comparison of soil pressure calculating methods based on Terzaghi model in different standards. The Open Civil Engineering Journal. 2016;10(1):481–488. https://doi.org/10.2174/1874149501610010481Shao L., Zhou X., Zeng H. Comparison of soil pressure calculating methods based on terzaghi model in different standards // The Open Civil Engineering Journal. 2016. Vol. 10. No. 1. Рр. 481-488. https://doi.org/10.2174/1874149501610010481Lévesque Y., Saeidi A., Rouleau A. Estimating earth pressure exerted by the backfill on the vertical pillars in underground mine stopes. GeoVancouver 2016. Vancouver; 2016.Lévesque Y., Saeidi A., Rouleau A. Estimating earth pressure exerted by the backfill on the vertical pillars in underground mine stopes // GeoVancouver 2016. Vancouver, 2016.