Напружено-деформований стан ґрунтової основи, армованої ґрунтоцементном, що виготовлений по струминно-змішувальній методиці

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

УДК 624.131.53:624.15

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ҐРУНТОВОЇ ОСНОВИ, АРМОВАНОЇ ҐРУНТОЦЕМЕНТОМ, ЩО ВИГОТОВЛЕНИЙ ПО СТРУМИННО-ЗМІШУВАЛЬНІЙ МЕТОДИЦІ

05.23.02 - Основи та фундаменти

КРИСАН Володимир Іванович

Полтава 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Зоценко Микола Леонідович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри видобування нафти і газу та геотехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шаповал Володимир Григорович, Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», професор кафедри основ та фундаментів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шокарев Віктор Семенович, Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», заступник директора інституту з наукової роботи, директор Запорізького відділення інституту.

Захист відбудеться «16» березня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, проспект Першотравневий, 24, ауд. 218.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, проспект Першотравневий, 24.

Автореферат розісланий « 12» лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для збільшення обсягів будівництва необхідні нові території або ущільнення існуючої забудови. Під час освоєння нових територій великі ціни на землю і необхідність розвитку систем забезпечення комфортного проживання потребують значних додаткових витрат. Тому максимально використовуються всі вільні місця в існуючій забудові, при цьому новобудови розташовують дуже близько до існуючих споруд. Крім того, нові будівлі мають розвинуту підземну частину значної глибини. Для безпечного будівництва в таких умовах необхідно надійне закріплення стінок глибоких котлованів. Передумовою проектування в стиснених умовах забудови є моделювання геотехнічних процесів та наступний моніторинг напружено-деформованого стану (НДС) існуючої забудови, об'єкта будівництва і ґрунтового масиву, що є основою фундаментів.

За таких умов традиційні методи закріплення стінок котлованів та основ фундаментів не завжди технічно й економічно виправдані. Тому виникла необхідність створення нового способу закріплення ґрунтів, названого струминно-змішувальним.

Детальне дослідження струминно-змішувального методу у виробничих і лабораторних умовах дозволить отримати реальні вихідні дані для оцінки НДС системи «основа - існуючі споруди та новобудови». Усе це стане підставою для прийняття економічно і технічно виважених проектних рішень, а також безпечного проведення будівельних робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Відповідно до програми раціонального використання підземного простору України як територіального резерву виконувався пошук оптимального та універсального методу закріплення ґрунтового масиву для захисту стінок котлованів і заміни ґрунтової «подушки» більш надійною основою.

Тема дисертації пов'язана з одним із напрямків розвитку науки Придніпровської ДАБА за держбюджетною тематикою МОН України в період 2000 - 2009 років. Вона також пов'язана з планами НДР, які виконувались у цей період переважно у центральних і південних районах України. Вона також є складовою частиною комплексної програми «Матеріалоємність» КПКВ-2201020 Міністерства освіти і науки України і міжвузівської комплексної програми «Скорочення ручної праці в будівництві» КПКВ-2201040.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка метод струминно-змішувального закріплення ґрунтових масивів для створення надійних основ фундаментів, а також методів проектування закріплення стінок глибоких котлованів та основ фундаментів шляхом моделювання характеру деформування при умові будівництва.

Для досягнення цієї мети було поставлено такі завдання:

- розробити методику та підібрати обладнання для створення ґрунтоцементних елементів (ҐЦЕ) за струминно-змішувальним методикою;

- виконати дослідні роботи з виготовлення ҐЦЕ в лабораторних і польових умовах у лесових просадочних ґрунтах;

- дослідити закономірності розподілення закріплювальної рідини в тілі ҐЦЕ у лесових просадочних ґрунтах шляхом лабораторних досліджень та вивчення зразків, відібраних вибурюванням із ҐЦЕ, підібрати технічні характеристики механізмів для виконання робіт;

- оцінити НДС основи армованого схилу котловану шляхом виконання вимірювання його переміщень за допомогою системи «Моніторинг» конструкції НДІБК, м. Київ;

- здійснити чисельне моделювання геотехнічних процесів, які пов'язані з закріпленням ґрунту за струминно-змішувальним методом;

- на основі досліджень скласти проект Технічних умов на будівництво основ, армованих ҐЦЕ, виготовленими струминно-змішувальною методикою.

Об'єкт дослідження - ґрунтовий масив, армований ґрунтоцементними елементами, що виготовлені по струминно-змішувальній методиці.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан армованого по струминно-змішувальній методиці ґрунтовий масив.

Методи дослідження. Поставлені в роботі завдання розв'язувалися за допомогою:

1. Експериментального методу, за яким виконувалися такі основні дослідження:

- у виробничих умовах проводилися дослідницькі роботи з армування основ, вимірювання осідань і нахилів будівель приладами системи «Моніторинг», відбиралися зразки грунтоцементу для лабораторних досліджень;

- у лабораторних умовах досліджувались характеристики ґрунтів основи та грунтоцементу за довжиною ҐЦЕ, уточнювався склад закріплювальних розчинів.

2. Теоретичного методу, шляхом якого оцінювався НДС армованої основи. При цьому використовувалась плоска та просторова постановка пружно-пластичної задачі нелінійної механіки ґрунтів, розв'язання якої реалізовано методом скінченних елементів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- створено новий, названий струминно-змішувальним, спосіб виготовлення ҐЦЕ, відмінність якого від струминного полягає в тому, що закріплювальний розчин подається під низьким, не більше ніж 1,0 МПа, тиском. При цьому струмінь розчину знижує опір різання ґрунту, що подовжує час експлуатації інструменту, та мінімізує використання енергії на виконання робіт. При аналогічних фізико-механічних характеристиках матеріалу отримано економію цементу 30 - 50 %, немає потреби в утилізації пульпи. Усе це на 40 % зменшує фінансові витрати та розв'язує екологічні проблеми при виконанні робіт;

- виготовлено і випробувано промисловий зразок конструкції струминно-змішувального долота для закріплення ґрунтів за струминно-змішувальним способом, це дозволило отримувати якісний ґрунтоцемент, що підтверджено патентом України UA 62868A; - уперше комплексно досліджено характеристики компонентів ґрунтової основи, армованої ґрунтоцементними елементами, що виготовлені за струминно-змішувальною методикою. Ці дослідження використані при моделюванні НДС системи «армована основа - фундамент». Отримано нові дані, які розширюють можливості використання армування ґрунтових масивів.

Практичне значення роботи полягає у:

- розробленні ефективного методу виготовлення ґрунтоцементних елементів, який відрізняється від відомих тим, що при однакових фізико-механічних характеристиках виготовленого матеріалу отримана значна економія цементу, енергоресурсів, при цьому відсутня пульпа, яка потребує витрат на утилізацію;

- широкому впровадженні в практику будівництва струминно-змішувальної методики для поліпшення характеристик просадочних і слабких ґрунтів, забезпечення стійкості укосів глибоких котлованів, реконструкції основ та фундаментів;

- створенні й упровадженні в експериментальне будівництво проекту Технічних умов будівництва основ, які армовані ґрунтоцементними елементами, що виготовлені за струминно-змішувальною методикою.

Особистий внесок автора роботи полягає в:

- обґрунтуванні, розробленні та впровадженні в практику експериментального будівництва нового, струминно-змішувальної методики виготовлення ґрунтоцементних елементів для закріплення масивів ґрунту [3, 4, 9];

- підготовці й проведенні польових досліджень характеристик ґрунтів, ґрунтоцементу, армованих основ та аналіз отриманих результатів [4, 6, 9, 10];

- розробленні конструкції та практичному використанні змішувально-бурового долота для закріплення ґрунтів за струминно-змішувальною методикою, на що отримано патент України [3, 7, 10];

- адаптації геотехнічної програми, розробленої під керівництвом О.Б. Фадеєва, для оцінки НДС армованої основи, а також у підготовці вихідних даних для виконання розрахунків. Реалізацію чисельного алгоритму моделі виконано на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) [4, 10];

- підготовці проекту Технічних умов будівництва основ, які армовані ґрунтоцементними елементами, що виготовлені за струминно-змішувальною методикою [9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і виконання практичних робіт з армування масивів за струминно-змішувальною методикою доповідались і обговорювались на:

- міжнародній науково-технічній конференції в 2004 р. у м. Алушта;

- V Всеукраїнській науково-технічній конференції «Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування» 29.XI - 3.XII. 2004 р. у м. Одеса;

- VI Всеукраїнській науково-технічній конференції «Будівництво в сейсмічних районах України», яка проводилась у 2006 р. у м. Ялта;

- Міжнародній науково-технічній конференції «Армування основ при будівництві та реконструкції будівель і споруд», що проходила у місті Вінниця 18 - 20.IV. 2007 р.;

- Всеукраїнській конференції, присвяченій 110-річчю з дня народження професора Платонова Є. В., що проводилась 14 - 16.X. 2007 р. у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка;

- Шостій всеукраїнській науково-технічній конференції - «Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування», що проводилась у м. Полтава з 3 по 7.XI. 2008 р.;

- Всеукраїнській науково-практичній конференції «Гідротехнічні і геотехнічні проблеми будівництва, реконструкції, технічної експлуатації портів і підприємств морського та річкового транспорту» ГІДРОГЕО-1, у м. Одеса з 28. IX по 2.X. 2009 р.

Публікації. За темою дисертації надруковані 10 статей, у тому числі два патенти, з них 6 у фахових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і семи додатків. Дисертація викладена на 219 - ти сторінках, у тому числі 171 сторінка основного тексту, 29 повних сторінок з рисунками і таблицями, 18 сторінок списку використаних джерел (174 найменування) та 7 додатків на 29 - ти сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі виконано обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету, завдання дослідження, відзначено наукову новизну проблеми, що розглядається, практичне значення роботи і подана її загальна характеристика.

У першому розділі здійснено аналіз вітчизняних та зарубіжних літературних джерел, де розглянуті питання загальної методики закріплення ґрунтів, а саме методики їх цементації, особливостей фізико-механічних характеристик ґрунтоцементів, їх залежності від технологічних факторів; практичного застосування армування ґрунтів вертикальними жорсткими елементами - проектування і будівництво; оцінки напружено-деформованого стану системи «армована основа - фундамент». Над цими питаннями плідно працювали відомі науковці: Абєлєв Ю.М., Абрамович Г.Н., Бойко І.П., Багдасаров Ю.А., Безрук В.М., Бондаренко В.І., Великодний Ю.Й., Винников Ю.Л., Власов С.Ф., Ганічев І.О., Гінзбург Л.К., Гольдштейн М.Н., Гончарова Л.В., Головко С.І., Далматов Б. І., Друкований М. Ф., Єржанов Ж. С., Зоценко М.Л., Коновалов П.О., Крутов В.І., Кушнер С.Г., Матвєєв І.В., Малінін А.Г., Нажа П.М., Садовенко І.О., Соколович В.Е., Степура І.В., Токін О.М., Трегуб А.С., Федоров Б.С., Черний Г.І., Шокарев В.С., Шаповал В.Г., Швець В.Б., Школа О.В.

Установлено, що наявні методики поліпшення будівельних властивостей ґрунтів не є універсальними і потребують доопрацювання. За основу нової методики закріплення ґрунтів вирішено взяти кращі якості струминної та змішувальної методик.

Відмічено, що сучасні методи проектування штучних основ можуть бути використані при розробленні проектних рішень із застосуванням запропонованої методики армованих основ, але характеристики ґрунтоцементу, який виготовляється за струминно-змішувальною методикою в ґрунтовому масиві, та деякі елементи методики проектування армованих основ потребують додаткового вивчення.

Другий розділ присвячений обґрунтуванню струминно-змішувальної методики виготовлення ґрунтоцементних елементів для закріплення ґрунтів. Критично виконавши аналіз сучасних технологій цементацій ґрунтів - цементації під високим тиском, струминної та змішувальної технології, розроблено теоретичні основи нової, струминно-змішувальної методики.

Вивчені процеси, які мають місце при виконанні робіт. Сконструйовано, виготовлено та захищено патентом України на винахід № 62868А конструкцію долота для виконання робіт за струминно-змішувальною методикою.

Відмінністю його є те, що залежно від напрямку осьового тиску ріжучі лопатки долота змінюють кут різання, за рахунок чого без зміни напрямку обертання ведеться буріння та піднімання інструменту.

У лабораторних умовах досліджені зразки, отримані при виконанні дослідно-промислових робіт.

На базі цього розроблено оптимальний склад закріплювальних розчинів для струминно-змішувальної методики виготовлення ґрунтоцементних елементів.

Для виготовлення ҐЦЕ підібрані оптимальні механізми, виконано їх модернізацію для одержання якісних характеристик ґрунтоцементу.

Розроблена та перевірена методика контролю якості виконання робіт.

Із цією метою сконструйовано та виготовлено обладнання для підготовки, виготовлення і дослідження зразків ґрунтоцементу. Розроблено методику одержання зразків ґрунтоцементу шляхом вибурювання колонковим інструментом та виготовлення з відкопаних ҐЦЕ зразків 100 Ч 100 мм.

На будівельних майданчиках при виконанні робіт відібрані, підготовлені для дослідження й досліджені зразки ґрунтоцементу.

На двох дослідних майданчиках у м. Дніпропетровськ, розкопано ґрунтоцементні елементи на глибину 9 м. При цьому відібрані зразки для лабораторних випробовувань. Окремі результати визначень характеристик ґрунтоцементу наведені в таблицях 1, 2, 3.

Таблиця 1 Щільність ґрунтоцементу залежно від вмісту цементу

Вміст цементу і, %	Окремі значення щільності ґрунтоцементу сі, т/м3
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
16	1,72	1,72	1,73	1,75	1,75	1,75	1,75	1,76	1,76	1,76	1,77	1,77
25	1,78	1,78	1,78	1,78	1,79	1,79	1,79	1,79	1,80	1,80	1,81	1,81
30	1,84	1,85	1,86	1,87	1,87	1,87	1,87	1,87	1,88	1,89	1,89	1,90
37,5	1.95	1,96	1,96	1,98	1,98	1,99	1,99	2,00	2,00	2,02	2,02	2,02

Виконано статистичні обчислення результатів дослідження характеристик ґрунтоцементу згідно з ГОСТ 20522 - 96, одержано середньоквадратичне відхилення характеристик (S), коефіцієнт варіації (н), показник точності її середнього значення, ці результати зібрані в таблиці 3, коефіцієнт кореляції r = 0,96.

Таблиця 2 Призмова міцності грунтоцементу в залежності від вмісту цементу

Вміст цементу і, %	Окремі значення призмової міцності зразків грунтоцементу, упр. МПа
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
16	2,50	2,50	2,50	2,51	2,51	2,52	2,52	2,53	2,53	2,55	2,55	2,56
25	2,67	2,67	2,68	2,68	2,68	2,69	2,69	2,70	2,70	2,71	2,71	2,71
30	3,51	3,51	3,52	3,52	3,53	3,53	3,53	3,54	3,54	3,54	3,55	3,56
37,5	4,79	4,80	4,81	4,81	4,82	4,82	4,82	4,82	4,83	4,83	4,84	4,84

Таблиця 3 Дані статистичних обчислень результатів дослідів

№ серії	Щільність, сі, т/м3	Кількість цементу і, %	Cередньо-квадратичне відхилення, S, т/м3	Коефіцієнт варіації, н
1	1,75	16	0,035	0,019
2	1,79	25	0,027	0,015
3	1,87	30	0,041	0,067
4	1,99	37,5	0,053	0,077

Розроблено методику контролю якості виготовлених ґрунтоцементних елементів та показано хід практичного виконання контролю якості ҐЦЕ, виготовлених в умовах будівельного майданчика.

Дослідження проникнення в ґрунтовий масив вологи з тіла ҐЦЕ виконувались при спорудженні торговельного комплексу по вул. Гагаріна, 77 в м. Дніпропетровськ. Через 7 діб після виготовлення ҐЦЕ було відібрано зразки за схемою.

Як свідчать дані табл. 4, через 7 діб після влаштування ҐЦЕ вологість ґрунту на відстані 50 мм практично не змінилася. Те ж саме можна сказати і про щільність ґрунту, а також про величину його відносної просадочності. Тому зроблено висновок, що при виконанні робіт за струминно-змішувальною методикою зволоження ґрунтів не спостерігається, тобто явище просідання не виникає.

Для порівняння призмової міцності ґрунтоцементу, виготовленого за різними методиками було здійснено дослід. Виготовлялись ґрунтоцементні елементи за змішувальною методикою й інструментом, розробленим НДІОСП-ЛІТВ, та струминно-змішувальною методикою, порівнювались зразки з рівним процентним вмістом цементу. Виявлено, що призмова міцність грунтоцементу виготовленого за струминно-змішувальною методикою, вища на 20 - 25 %.

Розроблено методику контролю якості виготовлених ҐЦЕ та показано хід практичного виконання контролю якості в умовах будівельного майданчика. Це гарантує відповідність якості виконаних робіт проектному рішенню.

Таблиця 4 Результати лабораторних досліджень проникнення вологи в ґрунт при влаштуванні ґрунтоцементного елемента

Характеристики грунту	Проби ґрунту на відстані 50 мм від ГЦЕ	Контрольні зразки	Характеристики ґрунту за вишукуваннями
	1	2	3	4
Вологість, w	0,19	0,17	0,18	0,19	0,19	0,18	0,19
Щільність с, т/м3	1,53	1,52	1,53	1,52	1,53	1,51	1,52
Пористість n	0,52	0,50	0,51	0,52	0,52	0,51	0,51
Просадочність еsl	0,046	0,046	0,045	0,046	0,045	0,046	0,045

У третьому розділі відображено основні напрями використання струминно-змішувальної методики армування ґрунтів.

Проходження глибокого котловану для виготовлення ґрунтової подушки веде до зміни напружено-деформованого стану основи, що викликає деформації всього масиву та розміщених на ньому споруд. Закріплення ґрунтів основи фундаменту за струминно-змішувальною методикою являє собою операцію заміни ґрунту з характеристиками, які не цілком відповідають вимогам проектного вирішення основи будівлі, на ґрунти, що мають необхідні характеристики, при цьому процес відбувається без виймання ґрунту.

Завдяки можливості значно і незворотно поліпшити будівельні властивості ґрунтів у природному заляганні армування може широко використовуватись у будівництві для підсилення основ фундаментів новобудов; при реконструкції; будівництві протизсувних конструкцій; закріпленні схилів глибоких котлованів; захисті від притоку ґрунтових вод.

Розрахунок характеристик основи фундаменту, армованої ґрунтоцементними елементами, здійснюється так: на місці будівництва виконується армування ґрунту і з виготовленого ґрунтоцементу беруться зразки для лабораторних досліджень, під час яких одержують фізичні та механічні характеристики ґрунтоцементу. Визначається модуль деформації ґрунтоцементу і за цими даними оцінюється приведений модуль деформації армованого масиву, залежить від діаметра і довжини ҐЦЕ, а також від відстані між ними у плані. Далі виконується розрахунок основи фундаменту за другим граничним станом.

За даними польового експерименту модуль деформації ґрунтоцементу ҐЦЕ склав Е_гц. = 115,4 МПа; приведений модуль деформації армованого масиву Е₀ = 34,72 МПа; середня питома вага армованого масиву г₀ = 18,30 кН/м³; розрахунковий опір армованого масиву R = 626,12 кПа; осідання фундаменту при цьому склало S = 13,6 см, що менше за нормативне значення.

Залежно від конкретних умов виконуються інші необхідні розрахунки, які можуть характеризувати сумісну роботу системи «армована основа -фундамент - споруда».

Для вивчення сумісних деформацій основи і споруди слід застосовувати програмні комплекси, що реалізують методи чисельного аналізу.

У четвертому розділі подані теоретичні умови чисельного моделювання напружено-деформованого стану (НДС) геомеханічних процесів.

Дослідження НДС ґрунтового масиву виконано із використанням деформаційної пружно-пластичної моделі середовища, яка являє собою узагальнення пружного і жорстко-пластичного середовищ з внутрішнім тертям, реалізованої в чисельному вигляді з використанням методу кінцевих елементів. Чисельна геомеханічна модель розроблена під керівництвом професора О. Б. Фадеєва, а чисельний алгоритм для ПЕОМ реалізований на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету м. Дніпропетровськ у вигляді програмно-алгоритмічного комплексу в середовищі Microsoft Visual C⁺⁺6.0.

При складанні чисельної моделі ґрунтового масиву основна увага зверталась на геометричні параметри розрахункової схеми, фізико-механічні характеристики основи та на характер силового впливу в межах розрахункової схеми. Розміри модельованої області задавались з умови мінімізації впливу зовнішніх контурів моделі на НДС модельованого масиву і охоплюють породний розріз довжиною 80,0 м та глибиною 35,0 м. Площа окремих елементів моделі складає 0,5 м² при загальній площі 2800 м².

Параметрами, що визначають стан та характер деформування навантаженого масиву в умовах його ґрунтоцементного армування, є властивості ґрунтоцементного матеріалу, ширина смуги ґрунтоцементного армування та глибина оголення ґрунтової товщі. В умовах нестійких ґрунтових масивів вплив параметрів ґрунтоцементного армування на стан породної товщі визначається характером надграничного деформування зони закріплення, а в стійкому стані закріпленого масиву - рівнем дограничних деформацій матеріалу армування та ґрунтового масиву, який захищається.

Дослідження НДС ґрунтових масивів, армування яких виконано за струминно-змішувальною методикою, проводилось експериментальним і теоретичним методами при проектуванні житлового багатоповерхового комплексу з підземним паркингом, що знаходиться на перехресті пр. К. Маркса, 3 та вул. Симферопольської в м. Дніпропетровськ. Датчики були встановлені до початку відкопування котловану, а спостереження завершені з виконанням зворотної засипки фундаменту.

Безпосередньо біля схилу котловану знаходилась одноповерхова будівля трансформаторної підстанції (ТП), на цоколі якої закріплено датчики системи «Моніторинг», конструкції НДІБК Держбуду України, м. Київ.

Результати експериментальних визначень осідань основи внаслідок відкопування котловану для умов будівництва житлового комплексу було перевірено шляхом обчислювального дослідження з використанням програмно-алгоритмічного комплексу в середовищі Microsoft Visual C⁺⁺6.0.

За результатами моделювання осідання ближньої до котловану точки (1) при природній вологості ґрунту, склала 1,2 см, а при повному насиченні водою - 4,5 см. Для дальньої точки (2) при природній вологості ґрунту - 0,7 см, а для насиченого стану - 2,7 см. Як свідчать результати експериментальних вимірювань системою «Моніторинг», максимальне осідання основи внаслідок відкопування котловану в ближній точці (1) склало 1,2 см, в дальній точці (2) - 0,7 см.

Результат вимірювання осідання нівеліром 2-го класу за ближньою до котловану точкою (1) становив 1,1 см, за дальньою (2) - 0,65 см.

При порівнянні результатів чисельного моделювання, нівелювання та вимірів системою «Моніторинг» маємо умову по ближній (1) точці, що S₁ = 1,1 см <1,2 см = 1,2 см < 4,5 см. За дальньою точкою (2) S₂ = 0,6 < 0,7 = 0,7 см < 2,7 см. Ці дані показують високий збіг результатів.

У місті Запоріжжя велось проектування торговельно-розважального центру, що має двоповерхову підземну частину, для будівництва якої був потрібний котлован глибиною 8,5 м.

Методом чисельного моделювання виконано розрахунок необхідних параметрів армування масиву для забезпечення стійкості укосів котловану та збереження розміщеної близько до укосу споруди.

На рис. відображено характер переміщень вузлових точок моделі на ділянці навантаженого ґрунтового масиву з котлованом глибиною 9 м без кріплення. Осідання споруди, що розміщена біля схилу котловану, в ближній до котловану точці - 6,5 см, а в дальній точці - 1,5 см. При ширині будівлі 12 м, вона мала б отримати відносну різницю осідання 0,00417, що > 0,002, яке допускається згідно з ДБН В.2.1-10-2009.

Армування масиву схилу шириною в 1 м, дещо змінює характер розподілу напруги у масиві, і осідання в ближній до котловану точці склало 5,5 см, а в дальній - 1,0 см. Відносна різниця осідання 0,00375 > 0,002.

При армуванні масиву схилу шириною в 3 м осідання в ближній до котловану точці склало 3,8 см, а в дальній - 0,5 см. Відносна різниця осідання 0,00275 > 0,002.

Варіант, коли ведеться армування масиву схилу котловану шириною в 3 м, а також армування стрічки шириною в 4 м по дну котловану, як показано на рис. 14, відповідає діючим нормативам: осідання в ближній до котловану точці склало 2,5 см, а в дальній - 0,5 см. Відносна різниця осідання 0,00166 < 0,002.

Перевірку результатів експериментів розрахунковим дослідженням було проведено для прийняття проектних рішень у м. Дніпропетровськ при проектуванні захисту житлового будинку № 98 в по просп. Кірова; житлового будинку № 10 та школи № 75 по вул. Гавриленко; школи № 22 по вул. Нахімова.

За цими даними встановлено, що характер деформування навантаженого масиву в умовах його армування адекватно відображується полем напружень, деформацій та переміщень, отриманим за даними чисельного геомеханічного моделювання. Це забезпечує можливість теоретичного обґрунтування параметрів ґрунтоцементного закріплення нестійких ґрунтів.

Стійкість слабких ґрунтових масивів забезпечується при їх ґрунтоцементному армуванні і заданими властивостями зони закріплення. У діапазоні характерних для зв'язних ґрунтів значень фізико-механічних параметрів ефективність армування контролюється співвідношенням деформаційних характеристик і характеристик міцності закріплюваних ґрунтів та матеріалу ґрунтоцементних елементів.

П'ятий розділ розкриває проект «Технічних умов будівництва основ, армованих ґрунтоцементними елементами, виготовленими за струминно-змішувальною методикою», де викладено основні положення методики виготовлення ґрунтоцементних елементів за струминно-змішувальною методикою в маловологих та водонасичених ґрунтах, методику контролю якості виконаних робіт.

За результатам практичного використання методики армування ґрунтів за струминно-змішувальною методикою виконано економічний аналіз, результати якого зведені в таблицю 5.

Таблиця 5 Економічний аналіз кошторисної вартості робіт при армуванні масиву, який здійснено по результатам фактично виконаних робіт

Назва об'єкта	Кошторисна вартість робіт при використанні паль, гривень	Кошторисна вартість робіт по методиці армування масиву, гривень	Економічний ефект виконаної роботи, гривень
Торговельно-виставковий комплекс ЛВС на просп. Кірова, 111, м. Дніпропетровськ	1 123 000	523 000	600 000
Торговельно-виставковий комплекс на просп. К.Маркса, 3, м. Дніпропетровськ	1 683 000	843 000	840 000
Торговельний комплекс на вул. Гагаріна, 77, м. Дніпропетровськ	831 000	461 000	370 000
Торговельно-розважальний комплекс на просп. Леніна, м. Запоріжжя	13 029 562	2 230 931	10 798 631
Виставковий зал по вул. Артема, м. Дніпропетровськ	1 493 152	741 052	752 100

висновки

У дисертаційній роботі подано розв'язання актуального наукового та практичного завдання - проектування і будівництво споруд на армованих за струминно-змішувальною методикою ґрунтах різного складу та виконано оцінку НДС системи «ґрунт - армована основа - споруда».

Обґрунтовані раціональні параметри методики виконання робіт.

Основні результати досліджень:

1. На основі детального вивчення методик цементації ґрунтів розроблений струминно-змішувальний метод влаштування ґрунтоцементних елементів, який відрізняється від струминного тим, що подавання цементного розчину виконується під низьким, не більше 1,0 МПа, тиском. При цьому струмінь розчину зменшує опір руйнуванню ґрунту долотом, що збільшує термін його роботи та знижує витрати енергії при виконанні робіт. Порівняно зі струминним методом при близьких фізико-механічних характеристиках матеріалів, досягнута значна економія цементу, при цьому виключається утворення пульпи, яка потребує утилізації.

2. Розроблено конструкцію бурового долота для виконання цементації ґрунтів струминно-змішувальним методом, відмінною особливістю якого є можливість занурення і вилучення його в ґрунті без зміни напрямку обертання. При цьому виконується механічне та гідромоніторне змішування ґрунту із цементним розчином, а також досягається зменшення зусилля при обертанні інструменту.

3. За результатами дослідження зразків, які були відібрані безпосередньо з виготовлених ґрунтоцементних елементів, установлено оптимальні витрати цементу, а також відповідні фізико-механічні властивості ґрунтоцементу. Досліджена величина проникнення у природний ґрунт води з ґрунтоцементного елемента, який виготовляється. Помітної зміни вологості ґрунту при цьому не зафіксовано, цим спростовується можливість зволоження просадочних ґрунтів у процесі виконання робіт за струминно-змішувальною методикою їх цементації. 4. Науково-виробничі дослідження струминно-змішувальної методики проведені більш ніж на 10-ти об'єктах цивільного призначення. Переважно здійснювалося армування бортів котлованів або заміна ґрунтової подушки армованою основою. Широкий спектр використання грунтоцементу для будівельного виробництва, у тому числі заміна бетону на ґрунтоцемент при влаштуванні паль, відкривають можливості значної економії матеріальних ресурсів при влаштуванні основ і фундаментів.

5. Дослідження напружено-деформованого стану армованого ґрунтоцементом ґрунтового масиву виконано з використанням чисельної геомеханічної моделі, розробленої під керівництвом професора О. Б. Фадеєва. Чисельний алгоритм моделі реалізований на кафедрі гідрогеології й інженерної геології Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) у вигляді програмно-алгоритмічного комплексу в середовищі Microsoft Visual C++ 6.0.

6. За даними чисельного експерименту, характер деформування навантаженого армованого ґрунтового масиву адекватно відображається полем напружень, деформацій та переміщень, що забезпечує можливість теоретичного обґрунтування параметрів ґрунтоцементного закріплення нестійких ґрунтових масивів. Стан ґрунтового масиву в чисельній моделі контролюється інтенсивністю граничного деформування, рівнем зрушувальних деформацій і напружень, які характеризують відносне переміщення точок області, що моделюється, а також збіганням ітераційного процесу за теоретичними напруженнями.

7. Моніторинг споруди, яка була розташована на схилі котловану, армованого ґрунтоцементними елементами, за допомогою приладів системи «Моніторинг», а також контрольна перевірка результатів шляхом геометричного нівелювання й чисельне моделювання геотехнічного процесу показали збіжність результатів, що однозначно підтверджує можливість і необхідність виконання чисельного моделювання для оцінювання змінення НДС системи «існуючі споруди - ґрунтовий масив - споруда, яка будується». 8. Матеріали дослідно-промислового застосування результатів досліджень підтверджують їх високу економічну та технічну ефективність, надійність контролю за технологічним процесом, що дозволяє широко впроваджувати струминно-змішувальну методику у виробництво.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Гинзбург Л.К. Усиление фундаментов с помощью буроинъекционных свай / Л.К. Гинзбург, В.И. Крысан, В.Б. Швець // Опыт устройства свайных фундаментов: труды V междунар. конф. по проблемам свайного фундаментостроения - М., 1996. т. III. - С. 141 - 143.

2. Деклараційний пат. на винахід UA 56658 А, Україна МК Е02D27/34, Е02D27/32. Спосіб відновлення деформованих будівель, розташованих на зсувних схилах / Прус І.С., Куліченко І.І., Крисан В.І., Прус В.І.: Державний департамент інтелектуальної власності - заявл. 12.08.02; опубл. 15.05.03. Бюл. № 5. - 3 с.

3. Деклараційний патент на винахід UA 62868 А Україна МК Е02D3/12. Змішувально-бурове долото / Романенко В.І., Крисан В.І.: Державний департамент інтелектуальної власності - заявл. 22.10.03; опубл. 15.12.03. Бюл. № 12. - 3 с.

4. Садовенко И.А. Исследования напряженно-деформируемого состояния нагруженного оползневого склона / И.А. Садовенко, И.И. Куличенко,

В.И. Крысан, В.И. Тимощук, В.В. Тишков // Сб. науч. трудов ПГАСА, 1999. - Вып. 9, ч. 1 - С. 75 - 79.

5. Садовенко И.А. Обоснование технологии выравнивания крена здания на оползневом склоне / И.А. Садовенко, И.И. Куличенко, В.И. Крысан // Сб. науч. трудов ПГАСА, 1999. - Вып. 9, ч. 1 - С. 80 - 82.

6. Крысан В.И. Перспективное направление применения технологий бурения в строительстве / В. И. Крысан // Наук. вісник Національного гірничого університету. - 2004. - № 5. - С. 93 - 95.

7. Крысан В.И. Струйное и смесительно-струйное закрепление грунтов / В.И. Крысан // Сб. науч. трудов ПГАСА, 2004. - Вып. 30. - С. 132 - 136.

8. Крысан В.И. Опыт устройства фундаментов на буроинъекционных сваях с цементацией основания / В.И. Крысан // Будівництво в сейсмічних районах України: міжвід. наук. пр. - К.: НДІБК, 2006. - Вип. 64. - С. 731 - 734.

9. Крысан В.И. Армирование насыпи подходов земляного полотна к путепроводу грунтоцементными сваями / В.И. Крысан, В.В. Крысан // Армування основ при будівництві та реконструкції будівель: міжвід. наук. - техн. зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2007. - Вип. 66. - С. 204 - 211.

10. Тимощук В.І. Дослідження параметрів закріплення нестійких ґрунтових масивів з використанням технології ґрунтоцементного армування / В.І. Тимощук, В.І. Крисан, В.В.Крисан // Механіка ґрунтів та фундаментобудування: міжвід. наук.-техн. зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2007. - Вип. 71, т. 2. - С. 264 - 74.

цементація ґрунт армування механічний

Анотації

Крисан В.І. Напружено-деформований стан ґрунтової основи, армованої ґрунтоцементном, що виготовлений по струминно-змішувальній методиці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - Основи і фундаменти. - Полтава: Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, 2010.

Представлені параметри нової технології армування ґрунтів і комплект обладнання, що для цього використовується. Наведені результати експериментальних і теоретичних досліджень НДС системи «армована основа - фундаменти». Виконано їх аналіз та порівняння.

На прикладах реального будівництва проілюстровано хід проектування і виконання робіт з армування стінок глибоких котлованів та основ для фундаментів.

Розроблено проект «Технічних умов будівництва основ, армованих ґрунтоцементними елементами, виготовленими за струминно-змішувальною методикою».

Шляхом зіставлення кошторисів на виконання робіт за різними методиками обчислено економічний ефект від використання запропонованої методики закріплення ґрунтів.

Ключові слова: струминно-змішувальна методика, армована основа, геомеханічна модель, напружено-деформований стан, чисельна геомеханічна модель, долото, ґрунтоцементний елемент.

Крысан В.И. Напряженно-деформированное состояние грунтового основания, армированного грунтоцементом, изготовленного по струйно-смесительной методике. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02. - Основания и фундаменты. - Полтава: Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, 2010. Диссертация посвящена разработке новой - струйно-смесительной методики армирования грунтов и изучению напряженно-деформированного состояния грунтового массива, созданного по этой методике.

Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическое значение работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В разделе 1 выполнен краткий анализ отечественных и зарубежных литературных источников по вопросам общей методики закрепления грунтов и непосредственно их цементации. Изучено опыт оценки напряженно-деформированного состояния системы «армированное основание - фундамент». На основе анализа сформулированы задачи исследования.

Раздел 2 посвящен обоснованию предлагаемого струйно-смесительного метода устройства грунтоцементных элементов для армирования грунтов. Изучены процессы, происходящие в грунтах при цементации их предлагаемым методом. Разработано, исследовано и запатентовано конструкцию нового долота. Исследованы образцы грунтоцемента, полученные в лабораторных условиях, и по этим характеристикам определены оптимальные параметры закрепления грунтов по струйно-смесительной методике. Разработано методику контроля качества закрепления грунтов.

В разделе 3 приведены исследования по закреплению грунтов по струйно-смесительной методике, выполненные в производственных условиях. Определены конкретные условия применения этой методики, приведено примеры выполнения расчетов армированных оснований плитных фундаментов и армирования бортов котлованов.

В разделе 4 проанализированы результаты исследования НДС армированного массива, выполненного с использованием численной модели, основой которой является деформационная упругопластическая модель среды. Данная модель, являясь обобщением упругой и жесткопластичной среды с внутренним трением, по существу сочленяет теорию упругости и теорию предельного состояния. Выполнено сопоставление результатов измерения аппаратурой системы «Мониторинг», нивелирования и численного моделирования на объекте в г. Днепропетровск. Установлено высокую сходимость результатов.

Раздел 5 содержит проект Рекомендаций по строительству оснований и фундаментов с использованием струйно-смесительной технологии. Рассмотрены примеры использования метода на конкретных строительных объектах, экономия от использования струйно-смесительной методики армирования грунтов, на объектах в г. Днепропетровск и г. Запорожье составила от 30 до 60 %, чем подтверждена высокая эффективность этих работ.

Ключевые слова: струйно-смесительная методика, армированное основание, геомеханическая модель, напряженно-деформированное состояние, численная геомеханическая модель, долото, грунтоцементный элемент.

Krysan V.I Tense-deformed state of soil foundation, reinforced with soil-cement by jet-mixing method. - Manuscript.Dissertation on the competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on specialty 05.23.02- Grounds and foundations - Poltava: Poltava national technical university of the name of Yuri Kondratuck, 2010.

Researches on development of build properties of soils have been analyzed and on their base a new jet-mixing method has been developed. It is set that soil-cement, which is made by the mentioned method, has durability 25% more than the one made by mixing method. The quantity of moisture distributing from soil-cement into rock massif has been fixed. Modeling of "soil-reinforced massif-construction" ad valorem tax system has been made. On this base working object design and construction has been made.

Comparison of change of construction settling and list and their results have been made with monitoring system.

Quality control method of soil-cement elements production corresponds to operating normative documents and makes the proper executive and qualified phase possible.

At the facilities in Dnepropetrovsk and Zaporozhe works on foundation pits sides and base reinforcement have been performed. More over, cost savings have been achieved from 30% to 60%.

Key words: soil-cement, jet-fixing method, tense-deformed state, hydraulic jet, fixing agent, reinforcement, engineering-geological open pit mine.

Размещено на Allbest.ru

...