Методика определения параметров расчетной модели сталефибробетонных блоков по результатам испытаний

Введение. Предмет исследования — определение параметров физически нелинейной расчетной модели стале-фибробетона (СФБ) для применения в численном анализе напряженного состояния блоков сборной тоннельной обделки при воздействии щитовых домкратов при продвижении тоннелепроходческого механизированного комплекса. Актуальность исследования обусловлена необходимостью учета характера работы СФБ после образования трещин при воздействии локальных нагрузок от щитовых домкратов. При наличии нормативно определяемых показателей остаточной прочности на растяжение по испытаниям на изгиб R0,5 и R2,5 (ГОСТ Р 59535, EN 14651) отсутствует методика перехода от этих показателей к параметрам нелинейных расчетных моделей. Цель исследования — разработка методики определения предельной прочности при растяжении ft и удельной энергии разрушения при растяжении Gt для модели Concrete Plastic Damage Model (CPDM) по результатам стандартных испытаний.

Материалы и методы. Использованы результаты испытаний образцов-призм с надрезом на изгиб с контролем раскрытия трещины, характеризуемые остаточными прочностями R0,5 и R2,5. Применен обратный численный анализ: моделирование испытаний выполнено в ПК ZSoil с использованием модели CPDM, проведена серия параметрических расчетов при варьировании ft и Gt и выполнен регрессионный анализ для установления функциональных связей между параметрами модели и остаточными прочностями СФБ на растяжение.

Результаты. Установлены закономерности влияния параметров ft и Gt на значения R0,5 и R2,5, получены регрессионные зависимости и построены номограммы для определения параметров модели CPDM по данным испытаний. Выполнены верификация методики и расчет блока тоннельной обделки при локальном нагружении щитовыми домкратами, подтвердившие адекватное воспроизведение процесса трещинообразования с учетом остаточной несущей способности СФБ на растяжение.

Выводы. Разработанный подход обеспечивает практическое определение параметров нелинейной модели CPDM по нормативным испытаниям СФБ и может применяться при проектировании и расчетах блоков тоннельной обделки, воспринимающих локальные сосредоточенные нагрузки от щитовых домкратов.

1. Serafini R., Dantas S.R.A., Salvador R.P., Agra R.R., de Figueiredo A.D., Rambo D.A.S. et al. Influence of fire on temperature gradient and physical-mechanical properties of macro-synthetic fiber reinforced concrete for tunnel linings // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 214. Pp. 254–268. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.133. EDN XAUQMB.

2. Galeote E., Picazo Á., Alberti M.G., de la Fuente A., Enfedaque A., Gálvez Ja.C. et al. Statistical analysis of an experimental database on residual flexural strengths of fiber reinforced concretes: Performance-based equations // Structural Concrete. 2022. Vol. 23. Issue 5. Pp. 3140–3153. DOI: 10.1002/suco.202100416. EDN UGRMFB.

3. Spagnuolo S., Meda A. Precast CSA-based concrete tunnel lining segments reinforced with GFRP bars: Challenges and opportunities // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 425. P. 136007. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.136007. EDN NRUKPH.

4. Benoit D.R. Design and construction of FRC tunnel lining with fibre enabled carbon footprint reduction // Tunnelling into a Sustainable Future — Methods and Technologies. 2025. Pp. 67–74. DOI: 10.1201/9781003559047-9

5. Statistical Process Control of Fiber-Reinforced Concrete Precast Tunnel Segments // ACI Materials Journal. 2024. Vol. 121. Issue 2. DOI: 10.14359/51740373. EDN XWXSBK.

6. Rossi B., Gaczewski A., Erkus O., Mak P. Europe's largest internal diameter steel fibre-reinforced tunnel // Tunnelling into a Sustainable Future — Methods and Technologies. 2025. Pp. 3152–3159. DOI: 10.1201/9781003559047-402

7. Mohammad Hosseini S., Mousa S., Mohamed H.M., Ferrier E., Benmokrane B. Experimental and analytical investigation of precast fiber-reinforced concrete (FRC) tunnel lining segments reinforced with glass-FRP bars // Tunnelling and Underground Space Technology. 2023. Vol. 139. P. 105230. DOI: 10.1016/j.tust.2023.105230. EDN DEJBPE.

8. Patel D., Pleesudjai Ch., Bui V., Pridemore P., Schaef S., Mobasher B. Mechanical response of precast tunnel segments with steel and synthetic macro-fibers // Cement and Concrete Composites. 2023. Vol. 144. P. 105303. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2023.105303. EDN HSKQBG.

9. Petraroia D.N., Plückelmann S., Mark P., Breitenbücher R. Tunnel lining segments with enhanced bearing capacity using hybrid concrete concepts // Tunnelling and Underground Space Technology. 2024. Vol. 143. P. 105484. DOI: 10.1016/j.tust.2023.105484. EDN YSHELG.

10. Каприелов С.С., Чилин И.А. Сверхвысокопрочный самоуплотняющийся фибробетон для монолитных конструкций // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 28–30. EDN QOXHLN.

11. Namli M. Evaluation of the effect of using fiber reinforcement in tunnel linings for metro projects // Underground Space. 2021. Vol. 6. Issue 6. Pp. 732–750. DOI: 10.1016/j.undsp.2021.08.002. EDN QIOFFC.

12. Русанов В.Е., Алексеев В.А., Маркин М.В., Мильчевский П.С. Использование фибробетона при проектировании высокоточных обделок в транспортном строительстве // Строительное материаловедение: настоящее и будущее : сб. мат. III Всеросс. науч. конф., посвящ. девяностолетию кафедры строительного материаловедения. 2023. С. 254–259. EDN PMLDPC.

13. Liao L., de la Fuente A., Cavalaro S., Aguado A. Design of FRC tunnel segments considering the ductility requirements of the Model Code 2010 // Tunnelling and Underground Space Technology. 2015. Vol. 47. Pp. 200–210. DOI: 10.1016/j.tust.2015.01.006

14. Русанов В.Е. К оценке эффективности применения фибробетона в сборных тоннельных обделках // Транспортное строительство. 2010. № 3. С. 13–16. EDN MEGMPP.

15. Lee J., Fenves G.L. Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures // Journal of Engineering Mechanics. 1998. Vol. 124. Issue 8. Pp. 892–900. DOI: 10.1061/(asce)0733-9399(1998)124:8(892)

16. Aidarov S., Mena F., de la Fuente A. Structural response of a fibre reinforced concrete pile-supported flat slab: full-scale test // Engineering Structures. 2021. Vol. 239. P. 112292. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112292. EDN GCNIOI.

17. Острик А.В., Ким В.В., Острик М.А. Численное моделирование деформирования и разрушения конструкций из бетонных композитов при нестационарном нагружении // Конструкции из композиционных материалов. 2022. № 4 (168). С. 21–28. DOI: 10.52190/2073-2562_2022_4_21. EDN AZQVOE.

18. Бударин А.М., Ремпель Г.И., Камзолкин А.А., Алехин В.Н. Деформационно-прочностная модель бетона с двойным независимым упрочнением и повреждением // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 4. С. 527–543. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.4.527-543. EDN IIJBPQ.

19. Русанов В.Е. Определение прочностных и деформативных свойств сталефибробетона для расчета тоннельных обделок // Вестник МГСУ. 2010. № 2. С. 189–197. EDN MUXQJJ.

20. Соловьев Л.Ю. Нелинейная модель бетона на основе теории пластического течения // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). С. 131–140. EDN TFBEMN.