Розробка технології влаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальній заклад

"Придніпровська державна академія будівництва та архітектури"

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Summary

Gretskyi D.V. Development of technologies for devices bored piles with hydrophobic layer of subsiding soil type II. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of a candidate of sciences (technics) by speciality 05.23.08 - technology and organization of industrial and civil engineering. - State Higher Educational Establishment "Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture", Dnipropetrovsk, 2010.

The research focuses on the development objective of bored piles unit with a layer of hydrophobized soil in type II collapsible soil.

It is proved that the use of anti-friction coating on the body of bored piles is compulsory while setting up bored pile foundations in type II collapsible soil. It is determined that the adverse effect of ground space affects the anti-friction coating, reducing the carrying capacity and increasing the deformability of structures while further operation. The solution of this problem is the use of the buffer layer with hydrophobized soil.

The theoretical and experimental research allows to prove that the anti-friction coating of bored piles produced with the hydrophobized layer according to the new technology will increase operating life on average by 50-60%.

As a result of complex studies, ways of bored piles with a hydrophobized soil set-up (in type II collapsible soil) were developed. Implementation of the technology is the devices of bored pile foundation for the reinforced concrete frame of the conveyor shop in the plant producing trucks "ISUZU" ("Bohdan" corporation in Cherkasy). The economic effect of bored piles unit technology implementation, in comparison with the conventional technology for the above mentioned facility, constituted 292 922.79 UAH. (2 176.24 UAH in recalculation for 1 bored pile).

Key words: technology of device bored piles, technological parameters, pressure concreting, complexity, hydrophobicity, durability.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. При інтенсивному та масштабному освоєнні підземного простору міст та значному зносі об'єктів інженерної інфраструктури різко погіршується геоекологічний стан підземного простору. Особливо ці явища набувають поширення в умовах функціонування підприємств cільськогосподарського, тваринницького та харчового призначення. Агресивне середовище, що формується, сприяє розвитку корозійних процесів на заглиблених в ґрунтовий простір конструкціях. Цей вплив призводить до передчасного старіння, втрати міцності та подальшого виходу їх з ладу.

Відомо, що при влаштуванні буронабивних паль в просадочних ґрунтах ІІ типу для зниження негативного тертя, що діє у просадочному шарі, та підвищення несучої здатності рекомендується застосовувати антифрикційні покриття (поліетиленові плівки, пластик, бітумні матеріали). Проте сьогодні не існує чіткої обґрунтованої технологічної послідовності з улаштування буронабивних паль з антифрикційними покриттями у просадочних ґрунтах ІІ типу.

Довговічність полімерних і бітумних матеріалів, що знаходяться в ґрунтовому середовищі, оцінюється приблизно у 40 років, а термін служби цих матеріалів у таких агресивних умовах складає близько 15-20 років. При влаштуванні антифрикційного покриття буронабивних паль у відомих технологіях перевага надається створенню властивостей максимального ефекту ковзання, захисна функція цього покриття від агресивних процесів не береться до уваги. Досить часто застосовуються матеріали антифрикційних покриттів, що взагалі є нестійкими до агресивного впливу ґрунтового середовища.

Відомо, що фундаменти будівель та споруд І-ІІ групи капітальності належать до конструкцій підвищеної надійності та таких, що повинні експлуатуватися досить тривалий час. Отже, за існуючих умов експлуатації, антифрикційні покриття буронабивних паль необхідно захищати від взаємодії з навколишнім ґрунтовим середовищем з метою збільшення їх експлуатаційних характеристик та терміну служби. Тому розробка нової технології влаштування буронабивних паль з захищеним антифрикційним шаром у просадочних ґрунтах ІІ типу буде визначатися підвищенням довговічності та надійності як антифрикційного шару, так і буронабивної палі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з науковим напрямком досліджень кафедри промислового та цивільного будівництва Черкаського державного технологічного університету та відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.1997 р. "Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будинків, споруд та інженерних мереж".

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в розробці технології влаштування буронабивних паль довжиною до 10 м в просадочних ґрунтах ІІ типу мегаполісів, сільськогосподарських, харчових, тваринницьких підприємств.

Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені наступні завдання:

- аналіз відомих технологій улаштування буронабивних паль у просадочних ґрунтах ІІ типу, їх класифікація та виявлення недоліків при влаштуванні;

- розробка теоретичних основ та проведення математичних моделювань, натурних експериментів процесів впливу буферного прошарку з гідрофобізованого ґрунту на залишковий ресурс антифрикційних покриттів буронабивних паль;

- дослідне та аналітичне визначення технологічних параметрів та розробка технологій влаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком з місцевого ґрунту;

- формування нових конструктивно-технологічних рішень, їх проектування і виробниче впровадження у практику будівництва.

Об'єкт дослідження - технологічні операції влаштування буронабивних паль у просадочних ґрунтах ІІ типу з антифрикційним покриттям.

Предмет дослідження - технологічні та організаційні параметри влаштування буронабивних паль в просадочних ґрунтах ІІ типу.

Методи дослідження: метод експертних оцінок і загальна теорія систем використані при обґрунтуванні та виборі чинників, що впливають на властивості гідрофобізованих ґрунтів; методи математичної статистики і моделювання - при обробці експериментальних даних; аналіз і синтез - при розробці нових конструктивно-технологічних рішень, що реалізували отримані теоретичні та експериментальні результати в практичні проекти.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- запропоновано при влаштуванні буронабивних паль застосування в якості захисту від агресивного ґрунтового середовища прошарку з гідрофобізованого ґрунту; одержано модельні залежності з підтвердженням експериментальними даними процесів впливу гідрофобізованого прошарку на антифрикційне покриття буронабивних паль протягом часу експлуатації (вперше);

- обґрунтовано методи проведення технологічних операцій та дослідно виявлено граничні значення технологічних параметрів при влаштуванні буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу (дістало подальший розвиток);

- розроблено технологічні послідовності влаштування буронабивних паль у просадочних ґрунтах ІІ типу з застосуванням прошарку з гідрофобізованого ґрунту (вперше).

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено та науково обґрунтовано технічні та технологічні рішення, використання яких дозволяє істотно підвищити експлуатаційний ресурс буронабивних паль у просадочних ґрунтах ІІ типу;

- дослідно та аналітично виявлено граничні значення технологічних параметрів та факторів, що дозволяють отримати найбільш раціональну до впровадження технологічну послідовність влаштування буронабивних паль;

- розроблено і реалізовано на практиці технологію влаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу;

- розроблено технологічну карту та впроваджено технологію влаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу при будівництві конвейєрного цеху заводу з виготовлення вантажних автомобілів "ISUZU" корпорації "Богдан" в м. Черкаси за рахунок застосування більш дешевого методу захисту від негативного впливу ґрунтового середовища в порівнянні з традиційними; розрахунок економічного ефекту на об'єкті склав 292 922,79 грн., що в перерахунку на 1 буронабивну палю становить 2176,24 грн.

Особистий внесок здобувача в наукові праці, опубліковані у співавторстві, полягає в наступному :

- класифіковано технології влаштування буронабивних пальових фундаментів у просадочних ґрунтах ІІ типу, виявлено недоліки, визначено раціональні технології до вдосконалення [12, 16, 25 ];

- класифіковано негативні чинники, що руйнують фундаментні конструкції, заглиблені у просадочні ґрунти ІІ типу, виконано постановку шляхів протидії негативним впливам [8];

- виявлено та визначено механізм впливу гідрофобізованих ґрунтів на антифрикційне покриття буронабивних паль та розроблено математичну модель стану покриття протягом часу експлуатації [5, 9];

- обґрунтовано застосування прошарку з гідрофобізованого ґрунту для підвищення терміну експлуатації антифрикційного покриття пальового фундаменту, розроблено спосіб отримання бітумного в'яжучого для приготування гідрофобізованих ґрунтів [7, 10, 20];

- розроблено технологічні послідовності виконання робіт з улаштування буронабивних пальових фундаментів у просадочних ґрунтах ІІ типу, розроблено технологічні схеми з гідрофобізації ґрунтів [14, 15, 21, 24].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на:

- Всеукраїнській науково-практичній конференції "Розвиток наукових досліджень '2005" (м. Полтава, 7-9 листопада 2005 р.);

- IІІ, ІV Міжнародних науково-практичних інтернет-конференціях "Стан сучасної будівельної науки" (м. Полтава, 12-19 травня 2005 р., 12-20 травня 2006 р.);

- Всеукраїнській науково-практичній конференції "Наукові дослідження - теорія і експеримент" (м. Полтава, 15-17 травня 2006 р.);

- ІІ Міжнародному науково-практичному семінарі "Методи підвищення ресурсу міських інфраструктур" (м. Харків, 1-2 листопада 2006 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції "Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика" ( м. Дніпропетровськ, 11-12 жовтня 2007 р.).

Публікації. Результати досліджень висвітлені в 25 публікаціях, в тому числі 16 статтях, з яких 14 - у наукових фахових виданнях, що входять до переліку, затвердженого ВАК України, 4 тезах доповідей та 5 патентах України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел зі 151 найменування та 2 додатків на 42 сторінках. Дисертація включає 21 таблицю і 56 рисунків. Загальний обсяг дисертації складає 232 сторінки.

2. Основний зміст роботи

У вступі сформульовано актуальність теми, мету і завдання дослідження, обґрунтовано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, зазначений особистий внесок здобувача в наукові праці, опубліковані у співавторстві, а також наведені дані щодо апробації результатів дисертації та публікацій.

У першому розділі виконаний літературний огляд та класифікація способів улаштування буронабивних паль у просадочних ґрунтових умовах ІІ типу. З досвіду будівництва було виявлено, що застосування паль у подібних геологічних умовах повинно проводитись з обов'язковою прорізкою просадочної товщі та при наявності антифрикційного шару (шару ковзання) для зменшення негативного тертя по тілу буронабивної палі.

Значний внесок у розвиток будівництва на просадочних ґрунтах внесли такі вітчизняні вчені, як Ю.М. Абелєв, Б.В. Бахолдін, В.І. Берман, П.М. Єрмошин, В.І. Крутов, І.М. Литвинов, М.С. Метелюк та інші.

Найбільш перспективними антифрикційними матеріалами буро-набивних паль у просадочних ґрунтах ІІ типу та такими, що влаштовуються з мінімальними показниками трудомісткості, є поліетиленова плівка, полімерні оболонки, пластики.

Аналіз технології влаштування буронабивних паль у просадочних ґрунтах ІІ типу з антифрикційним покриттям виявив ряд недоліків: велика трудомісткість влаштування антифрикційного шару, складність отримання якісного покриття і недостатня довговічність та експлуатаційна надійність буронабивних паль фундаментів будівель І-ІІ групи капітальності, складність процесів по зануренню арматурного каркасу, неефективність застосування стандартних методів бетонування палі з одночасним влаштуванням гідрофобізованого прошарку.

Згідно досвіду використання газо- та водонепроникних гідрофобізованих ґрунтів (коефіцієнт фільтрації менше 10-8 м/с) у автодорожньому будівництві та при прокладці підземних трубопроводів, зроблено припущення про можливість застосування непроникних гідрофобізованих ґрунтів (ГФГ) при влаштуванні буронабивних паль з обов'язковим проведенням структурного моделювання та математичних розрахунків впливу прошарку на антифрикційний шар, дослідного та аналітичного дослідження технологічної можливості влаштування паль.

Другий розділ присвячений теоретичним та експериментальним методикам дослідження технології влаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу. Теоретично обґрунтовано механізми взаємодії скелету ґрунту з органічними в'яжучими продуктами і встановлено типи утворюваних ними структур. Проведений кількісний аналіз фізико-механічних властивостей при гідрофобізації ґрунтів, перевірена можливість захисту конструкцій буронабивної палі від негативних корозійних процесів. Досліджені фізико-механічні властивості гідрофобізованих ґрунтів показали зменшення водонасичення та набухання, газопроникності та корозійної активності.

Експериментально доведено можливість використання в якості матеріалу під гідрофобізацію місцевого лесового ґрунту з обов'язковим перемішуванням піщаною сумішшю. На основі проведених досліджень за оцінкою фізико-механічних показників сумішей гідрофобізованого ґрунту був визначений оптимальний склад лесового ґрунту і піщаної суміші.

Розроблено моделі стану антифрикційного покриття в ґрунтових умовах та впливу на нього прошарку з гідрофобізованого ґрунту. Найбільш достовірною та реально можливою методикою проведення досліджень, на думку автора, є досвід будівництва трубопровідного транспорту, де критерієм якості ізоляційного покриття протягом часу експлуатації є інтегральна величина - перехідний опір, що оцінює захисну здатність системи "конструкція - покриття - ґрунт".

Теоретичні розрахунки та математичне моделювання процесів руйнування та оцінка впливу прошарку з гідрофобізованого ґрунту на залишковий ресурс антифрикційного покриття буронабивної палі показали, що ресурс покриття збільшується при наявності прошарку з гідрофобізованого ґрунту на 50-60% у порівнянні з варіантом без прошарку.

Для підтвердження теоретичних даних був проведений комплекс натурних досліджень. Були проведені дослідження впливу прошарку з гідрофобізованого ґрунту на властивості полімерного покриття протягом часу експлуатації. Методика проведення експерименту полягала у наступному: виготовлялися бетонні зразки, що обгорталися полімерним покриттям, половина з яких встановлювалась у форми більшого діаметру, та заповнювали порожнини гідрофобізованим ґрунтом. При цьому перед обгортанням полімерним покриттям під покриття встановлювались металеві електроди. Зразки з гідрофобізованим прошарком та без нього занурювались у звичайний ґрунт, який зволожувався протягом експерименту агресивними водними розчинами: 1-4,4% розчином сульфіту натрію; 2 - розчином 8% сусла. Навколо зануреного зразка у грунт встановлювались металеві електроди. Виміри перехідного опору "електрод під покриттям - електрод у ґрунті" проводилися кожного місяця, загальний строк випробування склав 1 рік. Порівнюючи теоретичні та експериментальні дані, можна зробити висновок, що наявність гідрофобізованого прошарку навколо анти-фрикційного покриття буронабивної палі збільшує її довговічність на 50-60% (рис. 1) у порівнянні з варіантом без наявності прошарку.

Проводилось дослідне визначення основних технологічних параметрів, які впливають на процес бетонування буронабивних паль. Розроблено методику проведення експерименту для обґрунтування та дослідження технологічних параметрів бетонування - напірним способом. Лабораторний стенд для дослідження напірного бетонування показано на рис. 2. Сутність досліджень полягала в наступному. Нагнітальний трубопровід 2 встановлювався в інвентарний циліндр 4 так, щоб між піддоном 5 і нижнім кінцем трубопроводу 2 залишався зазор не менше 60 мм, циліндр 4 заповнювався безперервно бетонною сумішшю до відмітки 1000 мм. При цьому через кожних 250 мм підйому бетонної суміші в циліндрі 4 проводилися виміри величини гідродинамічного тиску в напірному трубопроводі 2 за показниками манометрів 3. Досліди проводилися з використанням напірних трубопроводів діаметром 100, 125 і 150 мм. Швидкість нагнітання бетонної суміші в напірному трубопроводі змінювалася в межах 0,4-1,0 м/с, що забезпечувало стійкий режим нагнітання.

Рис. 1. Зміна перехідного опору при наявності навколо зразка буронабивної палі гідрофобізованого прошарку та без нього

буронабивний паля ґрунт просадочний

Рис. 2. Лабораторний стенд для дослідження напірного бетонування:

1 - нагнітальна установка; 2 - змінний напірний трубопровід; 3 - манометри; 4 - інвентарний роз'ємний циліндр; 5 - герметичний піддон

Таблиця 1

Опір підйому бетонних сумішей при їх безперервному нагнітанні в інвентарні циліндри

За допомогою створення експериментальної моделі процесу бетонування буронабивної палі напірним методом було досліджено та виявлено граничні межі факторів, що впливають на процес бетонування: рухливість бетонної суміші - більше 12 см, значення опору підйому бетонних сумішей - 0,156-0,246 МПа, раціональний тиск нагнітання бетонної суміші - 1,0-2,0 МПа.

Третій розділ присвячений дослідженню параметрів улаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу.

Для визначення оптимального дозування органічного в'яжучого при гідрофобізації ґрунтів було вибрано п'ять основних фізико-механічних властивостей: корозійна активність; набухання; водонасичення; газопроникність; опір стисненню. Оскільки властивості незалежні одна від одної, для визначення оптимального значення дозування в'яжучого можна використовувати принцип суперпозиції, тобто оптимальне значення визначатиметься, виходячи з сумарної зміни цільової функції під впливом досліджуваних параметрів. При цьому необхідно враховувати, що частина доданків цільової функції повинна досягати максимального значення, а інша - мінімального. Графічна залежність цільової функції має виражений максимум при дозуванні в'яжучого - 10-11% від маси ґрунту.

Технологічні можливості влаштування прошарку з гідрофобізованого ґрунту заданої мінімальної товщини визначаються рядом чинників: способом влаштування буронабивної палі, можливостями механізації, технологією його подачі у свердловину. Тому, виходячи зі зменшення вартості робіт, безпечної роботи засобів механізації та більшої технологічності проведення робіт, рекомендується товщина прошарку гідрофобізованого ґрунту -150-200 мм (рис. 3).

Аналітичне визначення надлишкового тиску нагнітання Рн при напірному бетонуванні буронабивних паль, що створюється бетононасосною установкою, визначається за формулою:

(1)

де ?бс - щільність бетонної суміші, кг/м³;

hбс - висота стовпа бетонної суміші в свердловині, м;

Sп.сд - поверхня зрушення бетонної суміші, м²;

Fтр - площа перетину напірного бетоноводу, м²;

?Ро - питомий опір підйому бетонної суміші в свердловині на 1 м, МПа;

dтр - діаметр напірного бетонопроводу, м;

hс - висота підйому бетонної суміші в свердловині, м.

Для аналітичного визначення надлишкового тиску нагнітання Рн при влаштуванні гідрофобізованого прошарку буронабивної палі, що необхідний для нагнітання суміші гідрофобізації, застосовуємо формулу:

де lпр, lкол(пов) - довжина прямих ділянок трубопроводу та поворотних відповідно, м;

dтр - діаметр бетонопроводу, м;

Q - продуктивність бетононасосу, м³/год;

?с. - щільність суміші гідрофобізації, кг/м³;

hс - висота суміші гідрофобізації в процесі подачі, м;

km - безрозмірний коефіцієнт, що враховує вплив місцевих опорів, km=0,67.

Аналіз теоретичних та експериментальних залежностей питомого опору підйому бетонної суміші в свердловині при напірному бетонуванні та його дослідна перевірка дозволили визначити оптимальні технологічні параметри: рухливість бетонної суміші - 12-16 см, концентрація піщаного заповнювача - 40-50% від загальної маси заповнювачів, оптимальна швидкість нагнітання суміші - 0,4-1,0 м/с, діаметри напірних бетонопроводів -100-150 мм. Практичним впровадженням технології влаштування буронабивних паль з дотриманням оптимальних параметрів бетонування було визначено максимальні та мінімальні значення інтенсивності бетонування - 3,5-57,33 м³/м²·год, швидкості підйому суміші у свердловині - 0,052-0,104 м/с, часу бетонування палі - 1,28-4,5 хв.

Випробування тиску нагнітання суміші гідрофобізації показали, що оптимальний тиск нагнітання знаходиться в межах 2,0-3,0 МПа при вологості вихідної ґрунтово-піщаної суміші - 10-25%, виходячи з вихідної вологості визначено рухливість суміші гідрофобізації - 6-8 см. Економічно обґрунтовано шляхи підвищення зручності при вкладанні суміші за рахунок додавання розріджувачів, підвищення рухливості суміші гідрофобізації до 10-14 см можливе за рахунок розрідження бітумним в'яжучим - мазутом М 100 в кількості 1,5-5% від загальної маси в'яжучого при збільшенні вартості робіт всього на 10-11%.

Четвертий розділ присвячений розробці та впровадженню технології влаштування буронабивних паль з гідрофобізованим прошарком у просадочних ґрунтах ІІ типу.

Одним із головних завдань при розробці нових технологій стало обґрунтування технологічних параметрів виробництва робіт на основних етапах виготовлення буронабивних паль. Проведені дослідження та аналіз технологічних параметрів у виробничих умовах дозволили сформулювати та обґрунтувати основні технологічні вимоги до виконання робіт.

Після закінчення бетонування буронабивної палі виникає необхідність у вилученні обсадних труб зі свердловини до початку твердіння бетону. Причому є необхідність в обґрунтуванні робочого зусилля вібратору задля непорушності влаштованих конструкцій паль. Дослідними перевірками встановлено, що зусилля на гаку крана при вилученні обсадної труби може бути виражено залежністю:

, (3)

де Nвилуч - зусилля вилученню зі свердловини, Н;