Забезпечення ефективної роботи підземних конструкцій інженерних споруд, які виготовлені з ґрунтоцементу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Забезпечення ефективної роботи підземних конструкцій інженерних споруд, які виготовлені з ґрунтоцементу

О.В. Петраш

Розглянуто результати досліджень фізико-механічних характеристик ґрунтоцементу. Проаналізовано їх вплив на ефективність роботи ґрунтоцементних підземних конструкції на прикладі реальної інженерної споруди.

Ключові слова: ґрунтоцемент, несуча здатність, утримуюча споруда.

Постановка проблеми у загальному вигляді та її зв'язок із важливими практичними завданнями. Упродовж останніх років ґрунтоцемент знаходить все ширше використання вже як конструктивний матеріал підземних конструкцій будівель і споруд. Постає актуальне питання про те, наскільки ефективно такі конструкції можливо експлуатувати та які механічні характеристики ґрунтоцементу змогли б це забезпечити.

Аналіз останніх публікацій, у яких започатковано розв'язання проблеми. Автори робіт [7, 8] наводять дані щодо міцності, водонепроникності та інших характеристик ґрунтоцементу. Зроблено висновки про значення отриманих результатів для конкретної сфери застосування цього матеріалу, наприклад, армування основи чи влаштування водонепроникних завіс. Але в розглянутих роботах [1, 2] передбачається використання ґрунтоцементу в складі певного інженерного заходу, спрямованого лише на покращення характеристик уже існуючого матеріалу.

Виділення не розв'язаних раніше частин загальної проблеми, яким присвячується стаття. У згаданих роботах наведені важливі фізико-механічні характеристики ґрунтоцементу, але сам матеріал не розглядається як конструктивний.

Виходячи з накопичених результатів досліджень ґрунтоцементу, за мету роботи поставлено завдання проаналізувати, як фізико-механічні характеристики ґрунтоцементу впливають на ефективність роботи підземної конструкції, виготовленої повністю з цього матеріалу.

Виклад основного матеріалу дослідження. Розглянемо приклад використання ґрунтоцементу, виготовленого за бурозмішувальною технологією, як конструктивного матеріалу підземної частини інженерної споруди (рис. 1).

Рисунок 1 - Інженерно-геологічний розріз схилу з існуючою підпірною стінкою: 1 - насипні ґрунти, неоднорідні; 2 - пісок жовто-сірий пилуватий; 3 - суглинок пилуватий, тугопластичний з включеннями карбонатних конкрецій; 4 - супісок пилуватий; 5 - глини бурі, тверді і напівтверді; 6 - піски кварцеві; 7 - існуюча утримуюча споруда

Прикладом такої конструкції є підпірна стінка, споруджена для запобігання розвитку зсувних явищ на ділянці схилу в урочищі Козина Спина на території Новопетрівської сільської ради Вишгородського району Київської області.

Зображена на розрізі конструкція була виготовлена з бетону, але з ряду причин виявилася такою, що не відповідає вимогам, продиктованим інженерно-геологічними та експлуатаційними умовами території. Тому підпірну стінку було доповнено новими конструктивними елементами, виготовленими з ґрунтоцементу, в тому числі вертикальною та похилою палями як підземної частини споруди (рис. 2).

Рисунок 2 - Інженерно-геологічний розріз схилу з підпірною стінкою, доповненою ґрунтоцементними елементами: 1 - 7 див. рис. 1; 8 - надземна частина нової утримуючої споруди; 9 - ґрунтоцементні вертикальні та похилі палі як підземна частина утримуючої споруди

ґрунтоцемент армування водонепроникність

Напружено-деформований стан (НДС) схилу було проаналізовано методами математичного моделювання, і виявилось, що його стійке положення забезпечене. Максимальний згинальний момент по довжині підземної конструкції виявився рівним 21 кНм. Проаналізуємо можливість безвідмовної роботи ґрунтоцементної підземної конструкції під дією різних чинників, зумовлених описаною ситуацією.

З механічної точки зору, на ефективність роботи ґрунтоцементних паль впливає низька міцність матеріалу, яка коливається в межах 1,5 - 3 МПа, залежно від вмісту води, цементу та хімічних добавок.

У лабораторії кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій та опору матеріалів ПолтНТУ автор експериментальним шляхом визначив, як повздовжнє армування впливає на міцність стиснутих ґрунтоцементних конструкцій [3]. Дослідними зразками були моделі ґрунтоцементної палі діаметром 500 мм, розмірами 100х100х400 мм (рис. 3).

Рисунок 3 - Зовнішній вигляд армованого ґрунтоцементного зразка

Виготовлено 4 серії по 6 зразків у кожній. Зразки першої серії не мали у складі нормального перерізу арматури, зразки ж серій № 2, 3, 4 мали коефіцієнт армування 1,13%, 2,01% та 3,14%, відповідно. На рис. 4 представлено результати проведеного випробування. Як видно з графіка, насичення нормального перерізу стиснутого ґрунтоцементного елемента арматурою до 3% дозволяє збільшити його міцність у 7 і більше разів.

Рисунок 4 - Графік залежності несучої здатності дослідного зразка від процента армування

Тому при моделюванні НДС розглядуваного схилу та спорудженні утримуючої конструкції передбачалося використання армованого ґрунтоцементу як гарантії безвідмовної роботи останньої.

З геотехнічних міркувань відмову конструкції, що розглядається, може спричинити замокання ґрунтових нашарувань, у межах яких вона розташована, що в свою чергу може призвести до насичення вологою пор ґрунтоцементу та інтенсивної корозії арматури всередині нього і зменшення несучої здатності конструкції в цілому. В описаних умовах важливою характеристикою ґрунтоцементу є його водонепроникність, що виявляється у максимальному тиску води на матеріал, при якому вона не просочується крізь нього. У лабораторії кафедри видобування нафти і газу та геотехніки ПолтНТУ для вивчення водонепроникних властивостей ґрунтоцементу були виготовлені зразки із суглинків лесових світло-брунатних за принципом бурозмішувальної технології, тобто цемент додавався до розпушеного лесового суглинку у вигляді цементного молока. Кількість портландцементу М400 - 20 % від ваги сухого ґрунту, водоцементне відношення розчину В/Ц = 2,7. Після виготовлення зразки зберігалися протягом 28 діб у вологих умовах. Зразки-циліндри висотою та діаметром 150 мм були випробувані (рис. 5) стандартним методом «мокрої плями» [4] та прискореним методом за допомогою приладу ВВ-2 [5].

Рисунок 5 - Прилади для визначення водонепроникності ґрунтоцементу: а - за методом «мокрої плями»; б - за прискореним методом

Як видно з результатів досліду, ґрунтоцемент володіє аномальною для своєї густини водонепроникністю W14. Це є запорукою надійного захисту арматурного каркаса від корозії всередині ґрунтоцементної палі, а отже, її ефективності.

Таблиця 1 - Значення часу та водонепроникності зразків

З експлуатаційної точки зору, причиною відмови може стати недостатня тріщиностійкість ґрунтоцементних паль, котрі зазнають дії згину. При утворенні та розкритті нормальних тріщин у захисному шарі ґрунтоцементу корозія арматури матиме місце незалежно від водонепроникності ґрунтоцементу. Опір тріщиноутворенню ґрунтоцементу оцінюється, як і для залізобетонних конструкцій [6], наступною формулою:

, (1)

де Mr - момент зовнішніх сил із статичних розрахунків, кНм;

Mcrc - момент, який спроможний сприйняти переріз, нормальний до повздовжньої осі елемента, перед утворенням тріщин, кНм.

Величина Mcrc визначається за формулою

, (2)

де Wpl - момент опору приведеного перерізу для крайнього розтягнутого волокна елемента з урахуванням пластичних деформацій розтягу його матеріалу, який допускається визначати як добуток:

, (3)

де г - коефіцієнт, що враховує вплив непружних деформацій матеріалу розтягнутої зони елемента, а Wred - момент опору приведеного перерізу армованого ґрунтоцементного елемента.

Як бачимо з (2), міцність на розтяг ґрунтоцементу fctk має визначальний вплив на опір тріщиноутворенню виготовленої з нього палі. Для її визначення в лабораторії кафедри технології будівельних конструкцій, виробів і матеріалів ПолтНТУ було проведено випробування ґрунтоцементу на розтяг за двома методиками (рис. 6).

Рисунок 6 - Випробування ґрунтоцементу на розтяг:

а - зразків-балочок на розтяг при згині; б - призм на розрив

Отримані експериментальні дані дослідження міцності на розтяг ґрунтоцементу двома способами зведені у таблицю 2.

Таблиця 2 - Результати випробування ґрунтоцементу на розтяг

У формі табл. 3 представлений розрахунок опору тріщиноутворенню ґрунтоцементної підземної конструкції, який показує, що умова (1) виконується, оскільки

.

Отже, при розрахунковому навантаженні на інженерну споруду нормальні тріщини в її підземних ґрунтоцементних конструкціях не виникнуть, що забезпечує її ефективну роботу.

Таблиця 3 - Розрахунок армованого ґрунтоцементного елемента на утворення нормальних тріщин

Висновки

Проведені дослідження доводять ефективність роботи ґрунтоцементних підземних конструкцій, виготовлених за бурозмішувальною технологією. Фізико-механічні характеристики ґрунтоцементу забезпечують як його сумісну роботу з арматурою, так і захист останньої від корозії під дією ґрунтових чи атмосферних вод.

Література

1. Петраш, Р.В. Підсилення існуючих фундаментів за допомогою бурозмішувальної технології / Р.В. Петраш, О.В. Петраш // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2009. - Вип. 2(24). - С. 136 - 140.

2. Водонепроникні запони з ґрунтоцементу, який виготовлюється за бурозмішувальною технологією / [М.Л. Зоценко, І.І. Ларцева, О.В. Петраш та ін.] // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: наук.-техн. зб. - Київ: КНУБА, 2011. - Вип. 17. - С. 39 - 46.

3. Зоценко, М.Л. Вплив повздовжнього армування на несучу здатність паль з ґрунтоцементу / М.Л. Зоценко, А.М. Павліков, О.В. Петраш // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. Вып. 65. - Д.: ГВУЗ «ПГАСА», 2012. - C. 240 - 245.

4. Дослідження водонепроникності ґрунтоцементу / [М.Л. Зоценко, О.І. Наливайко, І.І. Ларцева та ін.] // Вісник Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. - Д.: ДНУЗТ, 2010. - Вип. 32.- С. 43 - 48.

5. ДСТУ Б В.2.7-170:2008. Бетони. Методи визначення середньої густини, вологості, водопоглинання, пористості і водонепроникності. - К.: Мінрегіонбуд, 2009. - 38 с.

6. Залізобетонні конструкції: підручник / П.Ф. Вахненко, А.М. Павліков, О.В. Горик, В.П. Вахненко, за ред.. П.Ф. Вахненка. - К.: Вища шк., 1999. - 508 с., іл.

7. Мангушев, Р.А. Прочностные характеристики грунтобетона, выполненного по технологии jet grouting в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга / Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, В.Э. Гутовский // Сб. тр. научн.-техн. конф. «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции».- СПб.: СПбГАСУ.- 2010.- С. 361 - 368.

8. Deep mixing research results in under water conditions / [W.F. Van Impe, R.D. Verбstegui Flores, P.O. Van Impe et. al.] // Proc. of the 16th Intern. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (Osaka, 2005). - Millpress Science Publishers Rotterdam, 2005. - V. 3. - P. 1275 - 1278.

Размещено на Allbest.ru