Міністерство освіти та науки України

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

На правах рукопису

УДК 624.152. 612.3

Менейлюк Олександр Іванович

Розробка теоретичних основ, дослідження і впровадження інновацій при будівництві методом “стіна в ґрунті”

05.23. 08. – Технологія промислового та цивільного будівництва

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Харків, 2001 р.

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: - доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Гончаренко Дмитро Федорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри “Технологія будівельного виробництва”, проректор з наукової роботи

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, с.н.с. Снісаренко Володимир Іванович, Науково-дослідний інститут будівельного виробництва Держбуду України, завідуючий відділом гідротехнічного та спеціального будівництва

- доктор технічних наук, професор, Дюженко Михайло Георгійович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри “Механізація будівельних процесів”

- доктор технічних наук, професор Білоконь Анатолій Іванович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри “Технологія будівельного виробництва”, декан будівельного факультету

Провідна установа: - Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра технології будівельного виробництва.

Захист відбудеться “_17__” _жовтня______2001 р. о__13 00 ___годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 64.056.01 Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий “ _16__” вересня__2001 року

Вчений секретар спеціалізованої

Вченої ради ___________________ к.т.н., доцент Кутовой Е. М.

(підпис)

Загальна характеристика роботи

Суть і стан проблеми. Робота присвячена проблемі підвищення ефективності будівництва і покращення якості підземних споруджень, що зводяться методом "стіна у ґрунті", шляхом використання малорухомих бетонних сумішей, що ущільнюються направленими коливаннями, шляхом попередньої напруги таких конструкцій та інтенсифікації процесу утворення протифільтраційного екрана на стінках траншеї.

Поряд з високою ефективністю методу "стіна у грунті" існуючі технології для його реалізації мають ряд недоліків. Вони знижують якість підземних споруджень і ефективність методу. Аналіз стану питання показує, що є певні резерви для підвищення його ефективності, зниження витрат і підвищення якості споруд, що зводяться цим методом. Для комплексного вирішення проблеми і розробки нових ефективних технологій не вистачає достатньої теоретичної та експериментальної бази, відповідного обладнання.

Підставою і вихідними даними для розробки теми є:

·

· позитивний досвід створення залізобетонних конструкцій з покращеними деформативними характеристиками у звичайних умовах і труднощі, що виникають при зведенні в траншеях під глинястим розчином;

· відоме явище утворення гідроізоляційної кірки на стінках траншеї, заповненої глинястим розчином тривалий час, наявний певний досвід її використання та відсутність інтенсивної технології її одержання;

· успішне використання явищ електроосмосу і електрофорезу для осушення та закріплення ґрунтів і відсутність технологій, що дозволяють використовувати їх при спорудженні протифільтраційних екранів у ґрунті.

Необхідність проведення досліджень визначена таким. Рішення проблеми, що була сформульована, неможливе без створення відповідної теоретичної бази, виконання експериментальних робіт, наукового аналізу результатів, оцінки їхньої вірогідності та перевірки в натурних умовах будівництва. Тільки після виконання повного комплексу перерахованих досліджень можна рекомендувати нові технології в практику будівництва.

Актуальність теми. При виконанні будівельних робіт значна частина їх зв'язана зі зведенням заглиблених і підземних споруд. В умовах ринкової економіки, коли в більшості розвинених країн земля є товаром, роль таких споруд особливо велика. Вони дозволяють використати ділянку, виділену під забудівлю, більш ефективно. Додаткова корисна площа не вимагає орендної плати за землю. Для приміщень, розташованих під землею, значно знижуються експлуатаційні витрати на опалення і охолоджування.

На Україні виконані дослідження, присвячені виявленню оптимальних сфер застосування основних методів будівництва заглиблених споруд. За даними НДІБВ Держбуду України застосування методу "стіна у ґрунті" забезпечує зниження кошторисної вартості будівництва заглиблених споруд до 25%, підпірних стін та огорож – до 50%, протифільтраційних діафрагм – до 65% у порівнянні з іншими рішеннями. Дослідження показали, що метод “стіна у ґрунті” має цілий ряд позитивних якостей, а в деяких випадках є незамінним.

Незважаючи на переваги та високу ефективність методу "стіна у ґрунті" в цілому, він має і ряд недоліків, зв'язаних з особливостями традиційних технологій проведення робіт, механізмами і матеріалами, що застосовуються. Для монолітних несучих стін – це висока витрата цементу, велика кількість домішок глинястих часток і, як наслідок, зниження міцності бетону при використанні литих бетонних сумішей; низькі показники його зчеплення з арматурою, що призводить до передчасного розкриття тріщин, скорочує терміни безпечної експлуатації таких споруд. Для протифільтраційних завіс – це великі економічні витрати при необхідності одержання високих якісних показників; відсутність технологій, що дозволяють використовувати недорогі матеріали для заповнення траншей. Рішення питань про ліквідацію цих недоліків набуває особливого значення в умовах гострої обмеженості фінансування будівельних об'єктів в Україні.

Таким чином, значні обсяги будівництва підземних споруд, висока ефективність методу “стіна у ґрунті” в цілому і недоліки традиційних технологій для його реалізації визначають актуальність роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Значна частина роботи (в період 1986-90 рр.) виконана у відповідності до загальносоюзної програми № 0.40.055.18. Для підготовки розділу 5 базовою була робота автора як відповідального виконавця НДР (Державний Реєстраційний №01.87.0086795, замовник – НДІОСП ім. Герсеванова). Подальші дослідження виконані згідно з розробленими в Україні "Схемами комплексного використання підземного простору в м. Києві та інших великих містах України". В 1997 – 99 рр. дослідження виконувалися згідно з планом наукової роботи Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи – інтенсифікація процесів і створення нових технологій, що підвищують ефективність методу "стіна у ґрунті".

Теоретичні основи, на яких базується вказана мета, наукові гіпотези, ідеї та явища, завдяки використанню яких вона досягається, такі. Вібронагнітальна технологія бетонування стін у ґрунті заснована на переході з литих бетонних сумішей на менш рухомі. Це дозволяє управляти швидкістю укладання, зменшити домішки глинястих часток, скоротити витрати цементу, підвищити якість конструкцій. Теоретичною основою такої технології є фізико-математична модель поширення направлених коливань в бетонній суміші, що знаходиться в траншеї під глинястим розчином. Бетонна суміш в ній розглядається як в'язкопружне середовище. Технологія електрообробки при зведенні монолітних конструкцій під глинястим розчином та пристінного шару траншеї при влаштуванні протифільтраційних екранів заснована на використанні відомих в природі явищ електроосмосу і електрофорезу. За їх допомогою можна очистити робочу арматуру від глинястих часток та покращити її зчеплення з бетоном, створити антифракційний шар на обмежувачах ділянок і каналоутворювачах, а також інтенсифікувати процес створення протифільтраційного екрана на стінках траншей.

Для досягнення сформульованої мети були поставлені завдання досліджень, головні з яких наведені нижче.

1? Виконати аналіз традиційних технологій і відомих напрямків їх удосконалення.

2? Розробити теоретичні основи вібронагнітальної технології, методику розрахунку поширення направлених коливань та ефективні засоби для її реалізації.

3? Виконати експериментальні дослідження вібронагнітальної технології.

4? Обґрунтувати одержання позитивного результату і сформулювати теоретичні основи нових технологій з використанням явищ електроосмосу і електрофорезу в умовах зведення стін у ґрунті.

5? Розробити та дослідити технології, що дозволять покращити деформативні характеристики конструкцій, які бетонуються під глинястим розчином.

6? Розробити та дослідити технологію, що дозволяє інтенсифікувати процес створення гідроізоляційного шару на стінках траншей, заповнених глинястим розчином.

7? Виконати виробничу перевірку й упровадження результатів дослідження.

Об'єкт дослідження - технологія зведення підземних споруд методом "стіна у ґрунті".

Предмет дослідження – інновації, що підвищують ефективність методу:

-ущільнення бетонних сумішей, що укладаються в траншею під шаром глинястого розчину направленими коливаннями;

-використання явищ електроосмосу і електрофорезу:

? для покращення деформативних характеристик конструкцій стін у ґрунті;

? для попередньої напруги монолітних стін;

? інтенсифікації процесу утворення протифільтраційного екрана на стінках траншей.

Методи досліджень. Під час роботи з літературними джерелами, пошукові та обґрунтуванні вибору предмету досліджень і в закінченні кожного розділу використаний метод узагальнення і аналізу. Теоретичні дослідження технологічного процесу укладення і ущільнення бетонної суміші в траншеї під глинястим розчином виконані з використанням методів фізико-математичного моделювання. Теоретичне завдання визначення параметрів поширення направлених коливань вирішувалися з допомогою методів математичної фізики та математичного аналізу. Під час виконання експериментальної частини роботи застосовувались методи теорії скороченого планування і оптимізації експериментів. Обробка і аналіз результатів виконувалися з використанням методів експериментально-статистичного моделювання, теорії математичної статистики, а також якісного, кількісного та порівняльного аналізу. Відповідність теоретичних основ і передумов, сформульованих в роботі, реальним явищам, підтверджена даними експериментальних досліджень на спеціальних установках, великомасштабних моделях і в натурних умовах. Вірогідність теоретичних, експериментальних і практичних результатів підтверджена виконаним в роботі аналізом їх точності та адекватності, порівняльним аналізом, а також перевіркою в умовах будівництва.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому:

1? ? ?????? одержала подальший розвиток теорія віброущільнення бетонних сумішей. Вперше сформульовані теоретичні основи вібронагнітальної технології бетонування стін у ґрунті з використанням енергії направлених коливань.

2? Вперше виконане наукове обґрунтування і вирішене завдання теоретичної оцінки ступеня ущільнення бетонної суміші стін у ґрунті при зміні технологічних режимів і обладнання для вібраційного укладення шляхом визначення параметрів поширення направлених коливань від площинних і лопатевих вібровипромінювачів у бетонній суміші, що вкладається в траншеї під шаром глинястого розчину.

3. Вперше на основі аналізу експериментально-статистичних моделей, отриманих в результаті натурних досліджень, виявлені закономірності впливу параметрів технології вібраційного укладення та обладнання, що застосовується, на якісні показники стін у ґрунті.

4. Одержала подальший розвиток сфера використання явищ електроосмосу і електрофорезу. Вперше сформульовані технологічні основи одержання позитивних результатів від їхнього застосування при зведенні стін у ґрунті: утворення антифрикційного шару на каналоутворювачах і обмежувачах ділянок та інтенсифікація процесу створення протифільтраційного екрана на стінках траншей.

5. Вперше зроблений науковий аналіз виявлених автором закономірностей впливу технологічних факторів на процес утворення антифрикційного шару на каналоутворювачах і обмежувачах ділянок бетонування.

6. Вперше зроблений експериментально-статистичний аналіз виявлених автором закономірностей впливу технологічних факторів на інтенсифікацію процесу формування протифільтраційного екрана на стінках траншей.

7. Вперше встановлена можливість експрес-контролю процесу утворення протифільтраційного шару на стінках траншеї, що одержується в результаті використання розробленої технології.

Практичне значення отриманих результатів. Використовуючи сформульовані теоретичні основи, науковий та якісний аналіз результатів фізико-математичного і експериментально-статистичного моделювання, автор отримав такі практичні результати.

1? Вирішення теоретичного завдання визначення параметрів поширення направлених коливань в будь-якій частині секції стін у ґрунті, що бетонується, дозволяє оцінити ступінь ущільнення бетонної суміші, що укладається під шаром глинястого розчину при різноманітних параметрах технології та обладнання.

2? Розроблена технологія зведення стін у ґрунті з використанням явищ електроосмосу та електрофорезу дозволяє скоротити домішки глинястого розчину, покращити зчеплення арматури з бетоном та полегшити процес витягання обмежувачів між ділянками бетонування.

3? Розроблений метод створення попередньо напруженої монолітної стіни у ґрунті дозволяє використати як антифрикційний шар на каналоутворювачах місцеві матеріали та відмовитися від дорогих запатентованих імпортних складів.

4? Розроблена інтенсивна технологія створення протифільтраційних завіс дозволяє відмовитися від дорогих заповнювачів траншей, використовувати замість них відходи; скоротити тривалість зведення таких конструкцій та отримати при цьому високі якісні показники.

5? Отримані залежності дозволяють при проектуванні виробництва робіт задати параметри технології, що забезпечують необхідні властивості несучим, огороджуючим і протифільтраційним стінам у ґрунті: міцність, однорідність, товщину гідроізоляційного шару та інш.

6? Запропоновані технології, результати їх досліджень, розроблені конструкції обладнання представлені в роботі в готовому для використання вигляді. Більшість з них впроваджені під час спорудження таких заглиблених об'єктів: насосна станція Павлодарського тракторного заводу, підземна частина комерційного центру на Грецькій площі в м. Одесі та заглиблена частина підпірної стінки на морському узбережжі в м. Одесі; протифільтраційний екран навколо озера Болкулдак (Казахстан); ряд об'єктів Міністерства оборони України.

7? Упровадження результатів роботи показало їх високу ефективність. У порівнянні з відомими технологіями вони дозволяють підвищити міцність бетону на 5-35%, його однорідність – на 8-15%, скоротити витрати цементу – на 100-150 кг/м3, арматури – на 20-25 кг/м3, інтенсифікувати процес утворення протифільтраційного екрана на стінках траншеї в 30-40 разів. Економічна ефективність розроблених технологій у порівнянні з традиційними складає (грн./ам.дол. на 1 м3 стіни): вібронагнітальна технологія – 41,44/3,9-5,2; технологія зведення монолітних стін з покращеними деформативними властивостями – 7,12/1,7-4,7; попередня напруга монолітних стін – -/4,3 – -/5,9; інтенсивна технологія зведення протифільтраційного екрана – 28,18/12,5-18,5.

Апробація результатів дисертаційних досліджень. За результатами, отриманими автором, зроблені повідомлення на Третій та Четвертій Українських науково-технічних конференціях з механіки ґрунтів і фундаментобудування (ОДАБА, Одеса, 1999р., НДІБК, Київ, 2000р.), Міжнародному симпозіумі в Кримській академії природоохоронного і курортного будівництва (м. Сімферополь, 2000р.), Третій міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми й перспективи розвитку на рубежі тисячоліть (м. Одеса, 2000), Міжнародній науково-методичній конференції (м. Одеса, 1987 р.), Міжвідомчій науково-технічній конференції “Нові матеріали і технології в будівництві” (м. Ачевськ, 1992 р.), Всесоюзній науково-координаційній нараді Держбуду СРСР (м. Владивосток, 1986 р.), Науково-практичній конференції у Казахстані (м. Павлодар, 1987 р.). Результати дисертаційних досліджень доповідалися і отримали підтримку на науково-методичних семінарах кафедр технології будівельного виробництва Київського національного університету будівництва та архітектури (м. Київ, 2000 р.), Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (м. Харків, 2000 р.) і Одеської державної академії будівництва та архітектури (м. Одеса, 1999 р.), на засіданні секції №1 Вченої ради Науково-дослідного інституту будівельного виробництва Держбуду України (Київ, 2000 р.).

Публікації. Результати опубліковані в 41 роботі, у тому числі, у 4 монографіях, 20 статтях в наукових журналах і збірниках наукових праць; представлені в 12 матеріалах і тезах наукових конференцій, в 5 авторських свідоцтвах і патентах на винаходи.

Дисертація складається з вступу, 7 розділів і 6 додатків. Обсяг дисертації – 342стор. в. т.ч., ілюстрації – 4 стор., таблиці – 7 стор., додатки – 34 стор., список використаних джерел (197 найменувань) – 17 стор.

Основний зміст

В першому розділі роботи виконаний аналіз стану проблеми, що вивчається. Для цього використані матеріали патентних досліджень, а також найбільш значущі, з точки зору поставлених завдань, результати, викладені в працях зарубіжних і вітчизняних учених і практиків: Арабаджана І. Р., Афанасьєва О. О., Арутюнова С. Г., Большакова Ю. В., Брускова І. В., Вознесенського В. О., Галинського О. М., Гвоздєва Ю. О., Гольшейна Б. Г., Гусєва Б. В., Джонсона Н., Десова О. Є., Зазімко В. Г., Зубкова В. М., Іванова В. Д., Круглицького Н. Н., Кумагаі-Гаумі, Лавриновича Є. Ф., Міклашевського Є. П., Мільковицького С. І., Никітенка М. І., Обаяси-Гумі К. К., Перлея Є. М., Петрунькіна Л. П., Писанка Н. В., Раюка В. Ф., Савінова О. О., Скворцова В. Ф., Смородінова М. І., Соболевського Ю. О., Снисаренка В. І., Тайсей-Кенсецу К. К., Терьохіна Є. Ф., Федера Х., Федорова Б. С., Феоктистової Н. В., Філахтова А. Л., Хейфіца В. Б., Холмянського М. Н., Цая Т. М., Чернухіна О. М., Шаада В., Шейнблюма В. М., Шика С. П., Янкуліна М. Г. та інш.

У вітчизняній практиці будівництва ініціатива розвитку методу "стіна у ґрунті" належить ряду організацій. Це НДІ будівельного виробництва Держбуду України, Київський ПКВ Гідропроекту, НВО Гідроспецбуд, ДПІ Водоканалпроект, трест Промспецбуд та інш.

Роботи зі зведення підземних споруд методом "стіна у ґрунті" починаються з влаштування в ґрунті траншей необхідної глибини і конфігурації в плані. Під час розробки траншеї повинні бути постійно заповнені глинястою суспензією. Стійкість ґрунтових стінок забезпечується за рахунок підвищеного гідростатичного тиску глинястої суспензії по відношенню до тиску ґрунтової води в порах ґрунту, а також спроможності суспензії кальматувати ці пори ґрунту і утворювати на стінках траншей глинясту кірку. Відкриті до проектної глибини траншеї заповнюються бетоном, монолітним або збірним залізобетоном або протифільтраційним матеріалом з витисненням глинястої суспензії, що заповнює траншею.

В роботі показано, що метод “стіна у ґрунті” успішно застосовується у вітчизняній і світовій практиці для зведення підземних, несучих та огороджуючих конструкцій , протифільтраційних завіс. Однак, незважаючи на високу ефективність методу в цілому, традиційні технології зведення стін у ґрунті мають ряд недоліків.

Технологія зведення монолітних стін з литих бетонних сумішей зумовлює високу витрату цементу (400-600 кг/м3) або застосування пластифікаторів, зниження міцності бетону стін у ґрунті у порівнянні з марочною міцністю на 20-40%, зменшення величини зчеплення арматури з бетоном в 2-2,5 разу і, як наслідок, збільшення ширини розкриття тріщин, зниження довговічності конструкцій. Вивчений досвід вібраційного укладення бетонних сумішей обмеженої рухливості (ОК=4-8 см) свідчить про можливість зниження витрати цементу до 300-350 кг/м3. Автор на рівні кандидатської дисертації визначив можливість вдосконалення технології бетонування стін у ґрунті шляхом використання малорухомих бетонних сумішей, що укладаються з вібрацією, і досліджував таку технологію. Але отримані результати мали обмежену сферу застосування. Вони дозволяли отримати високі якісні показники тільки при укладанні важкої бетонної суміші зі спеціально підібраним складом і рухливістю, обмеженою 3-6 см осідання стандартного конуса (ОК). Розробка нового обладнання, що поширює сферу застосування вібраційного укладення, стримувалася у зв'язку з високою вартістю експериментальних робіт і відсутністю теоретичної бази для розвитку такої технології. Не був розроблений метод теоретичного визначення параметрів поширення коливань, а, отже, і ступеня ущільнення бетонної суміші в таких умовах, її однорідності.

Аналіз патентних матеріалів показав, що в світовій практиці відомі методи створення попередньо напружених стін у ґрунті, коли до конструкцій ставляться підвищені вимоги щодо тріщиностійкості. Але у вивчених джерелах не наводяться відомості про те, як можна забезпечити натяжіння арматури в умовах зведення стін у ґрунті, або наводяться рекомендації щодо використання спеціальних методів, секрет яких залишається власністю авторів.

Відомі методи улаштування протифільтраційних завіс (ПФЗ) мають певні недоліки: висока вартість при використанні як заповнювачів траншей бетону або розчину ,що твердіє; низькі показники щодо водонепроникності при використанні як заповнювача грудкової глини (Кф=10-3 м/доб); неможливість використати, при високих градієнтах напору, дешевий заповнювач траншей (пастоподібну або грудкову глину); обмежена сфера застосування завіс з плівкових матеріалів.

Дослідження, проведені в НДІОСП їм. Герсеванова, показують, що при певних умовах на стінках траншей, заповнених глинястим розчином, утвориться екран з високими протифільтраційними показниками (Кф=10-5-10-6 м/доб). Для одержання такого екрана необхідна наявність різниці гідростатичних тисків не менше 0.05 МПа, тривале (24-48 годин) витримування розчину в траншеї та інш., що не завжди можна виконати в реальних умовах. Тому для його використання як протифільтраційного необхідна технологія, що дозволить інтенсифікувати процес одержання такого екрана, причому не тільки у відзначених особливих умовах.

Д р у г и й р о з д і л роботи присвячений обґрунтуванню основного направлення досліджень, а також розробці теоретичних основ інновацій при будівництві методом “стіна у ґрунті”.

Аналіз стану питання, наведений в першому розділі, дозволив виявити резерви підвищення ефективності методу. Враховуючи те, що в цілому ряді випадків метод “стіна у ґрунті” має переваги у порівнянні з іншими, а іноді і просто є незамінним, в роботі обґрунтовується необхідність виконання комплексу досліджень, направлених на інтенсифікацію процесів і створення нових технологій, що підвищують ефективність методу. Тому основне направлення роботи – розробка і дослідження технологій, що покращують якісні та економічні показники методу “стіна у ґрунті”.

Далі в розділі представлені теоретичні основи запропонованих інновацій.

В роботі виконаний теоретичний аналіз відомих конструктивних схем обладнання для вібраційного укладення бетону під водою і глинястим розчином. В результаті зроблений висновок про найбільш перспективний тип конструктивної схеми обладнання. Це бетонолітна труба з площинним або лопатевим вібровипромінювачем в нижній частині. При використанні таких вібровипромінювачів форма коливань, що поширюються, буде близька до плоскої, що значно збільшує їхній радіус поширювання у порівнянні з вібровипромінювачами інших типів. Це узгоджується з аналізом результатів експериментів, виконаних автором раніше, а також з дослідженнями О. О. Афанасьєва, О. О. Савінова, Є. Ф. Лавриновича, С. Г. Арутюнова.

Наступний етап досліджень був направлений на розробку методики розрахунку параметрів поширення плоских хвиль при укладанні та ущільненні бетонних сумішей в умовах зведення стін у ґрунті. Можливість визначення параметрів коливань дозволяє теоретично оцінити ступінь ущільнення бетонної суміші, що укладається, на різному віддаленні від вібровипромінювача, при зміні характеристик обладнання і технологічних режимів. А це, в свою чергу, дозволить їх оптимізувати, визначити ефективні сфери використання.

Для рішення поставленого завдання були зроблені деякі припущення. Нехтуючи вібраційним впливом труби на суміш і зазором між випромінювачем і стінками траншеї, можна вважати, що напружено-деформований стан суміші не міняється по ширині траншеї, тобто цей стан є плоским. Таким чином, для опису хвильових процесів в бетонній суміші, викликаних впливом площинного вібровипромінювача, прийнята така фізико-математична модель. Горизонтальний шар з в,язкопружного матеріалу постійної товщини h розташовується на абсолютно жорсткій гладкій основі. В ній знаходиться абсолютно жорстка тонка пластина, що здійснює поступальні гармонійні коливання в горизонтальному напрямку з амплітудою w0. Показано, що амплітудні переміщення точок в,язкопружного шару товщиною h,

,,, C2к=C1кb k, k=1.2,

cк при к=1,2 означає: c 1=rw2/l + 2m; c2=rw2/m; l=l0 - l 1w; m=m 0 - im1w,

l0,m 0 – постійні Ламе для пружного середовища;l 1,m1 - коефіцієнти об'ємної і зсувної в'язкості, r - щільність середовища (бетонної суміші).

u*1f (x,h, y) - образ Фур,є горизонтальних переміщень точок; u*2f (x,h, y) - образ Фур,є вертикальних переміщень точок; u*ў1f, u*ў2f - похідні вказаних функцій по змінній х2

,

Позначимо через G (x2, y) функцію впливу шару, тобто горизонтальні амплітудні переміщення точок шару, що лежать на осі х2, від дії горизонтальної гармонійної одиничної сили, прикладеної у точці (0, у):

G (x2, y)=u1 (0, x2, y)

Де: u1 (0, x2, y) - визначається з наведених вище формул при х1=0.

Користуючись принципом суперпозиції, горизонтальні переміщення точок шару, що лежать на прямій х1=0, від дії контактних напруг р (х2), розподілених вздовж вібровипромінювача, тобто вздовж цієї прямої від точки х2=а до точки х2=b, можна записати таким чином:

Позначимо амплітудне переміщення вібровипромінювача через w0. Тоді на частині осі х2 від х2=а до х2=b переміщення повинні дорівнювати w0. Звідси виходить рівність

,

що є інтегральним рівнянням для визначення контактних напруг між середовищем і вібровипромінювачем.

Це рівняння відноситься до класу інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду.

Шляхом заміни змінних інтегральне рівняння приводиться до вигляду

Використовуючи відому методику, рішення рівняння визначається в такому вигляді:

Тут Тj (h)- поліноми Чебишева першого роду, qj – коефіцієнти, які шукаємо. Використовуючи властивості поліномів Чебишева, інтегральне рівняння приводимо до системи алгебраїчних рівнянь для коефіцієнтів qj, з допомогою яких знаходимо q(??. Контактні напруги між вібровипромінювачем і середовищем визначаються за формулою;

p (y) =q (a Ј y Ј b)

Можна вважати, що хвильові рухи в шарі викликані не вібровипромінювачем, а навантаженням, що визначається за викладеним вище алгоритмом і прикладеним на відрізку [a, b] осі х2.

Таким чином, задача визначення переміщення в шарі від дії плоского вібровипромінювача зводиться до визначення переміщень (j=1,2), викликаних гармонійним навантаженням р(х2), розподіленим вздовж відрізка [a, b] осі х2.

З принципу суперпозиції виходить, що переміщення можуть бути знайдені за формулою

Ця формула дасть можливість визначити проекції переміщення точки на осі координат в будь-який момент часу.

Проекції і модуль прискорення точки середовища на осі координат визначаються за формулою

, .

Розглянемо тепер випадок, коли шар бетонної суміші знаходиться під шаром глинястого бентонітового розчину. Показано, що для обліку привантаження в наведених вище виразах слід покласти

де N* =2N sin (Lx)/x, L – довжина траншеї, N=r0gh0 (r0 - щільність бентонітового розчину, g - прискорення вільного падіння тел, h0 - товщина його шару).

Викладена вище методика легко трансформується на випадок лопатевого випромінювача.

Інтегральне рівняння буде тепер виглядати так:

(w1 – амплітуда коливань нижньої грані лопаті).

На підставі викладеного в роботі алгоритму була складена програма для персонального комп'ютера на мові "С++". З допомогою цієї програми проведена серія розрахунків полів амплітудних значень прискорень в бетонній суміші під впливом вібровипромінювача при різноманітних значеннях товщини шарів суміші, бентоніту, заглиблення вібровипромінювача, амплітуди його коливань і таке інш. Програма і приклад розрахунку представлені в монографії автора (див. [3] в списку опублікованих робіт). Програма і результати розрахунків використані у відповідних розділах роботи, зокрема, при проектуванні обладнання, технології та рекомендацій для їхнього впровадження в практику будівництва.

В цьому ж розділі роботи викладені експериментально-теоретичні передумови від використання явищ електроосмосу і електрофорезу для поліпшення деформативних характеристик монолітних стін і створення їх попередньої напруги.

Закономірності взаємодії арматури і бетону визначають особливість залізобетону як матеріалу. Ці закономірності достатньо широко вивчені при звичайних умовах бетонування в роботах В. Юферова, Г. Рема, Ю. Гото, О.О. Гвоздєва, М.М. Холмянського та інш. При бетонуванні під глинястим розчином вони змінюють свій характер, іноді – до протилежного. Так, наприклад, зчеплення арматури періодичного профілю з бетоном в таких умовах значно нижче, ніж гладкої. Такий висновок ми можемо зробити після вивчення результатів досліджень Державного енергетичного управління Франції “Електрісіте де Франс” і робіт, виконаних в МІБІ Терьохіним Є. Ф. При бетонуванні в звичайних умовах залежність величини зчеплення від профілю – протилежна.

В першому розділі роботи показано, що при бетонуванні під глинястим розчином істотно погіршується зчеплення арматури з бетоном за рахунок налипання значної кількості глинястих часток. Відомо, що зниження зчеплення призводить до погіршення деформативних характеристик конструкції. При їхній експлуатації під дією навантаження в залізобетоні виникають тріщини. Стіни у ґрунті експлуатуються, як правило, при високому рівні підземних вод. Вони часто мають агресивні властивості. В таких умовах поява і розкриття тріщин веде до значного скорочення терміну експлуатації таких споруд.

Тому в роботі приділена увага аналізу технологічних прийомів, що зменшують негативний вплив глинястого розчину на зчеплення арматури з бетоном. Такий аналіз дозволив зробити висновок, що найбільш перспективним в цьому напрямку є використання електроосмосу. Глинястий розчин, в якому знаходиться арматура перед бетонуванням, є колоїдним розчином. З електрофізики відомо, що якщо в колоїдний розчин опустити два електроди і пропускати між ними постійний електричний струм, то відбудеться таке. У негативного електрода (катода) при цьому збереться вода. Це явище прийнято називати електроосмосом. Тверді зважені в колоїдному розчині частки будуть рухатися до анода (позитивного електрода). Це явище прийнято називати електрофорезом.

Виходячи з цього, можна припустити, що якщо в умовах зведення стін у ґрунті через глинястий розчин, яким заповнена траншея, пропустити постійний електричний струм, то будуть відбуватися ті ж явища, що і в будь-якому іншому колоїдному розчині. При цьому можна використати обидва процеси: і електрофорез, і електроосмос.

Якщо використати як катод арматурний каркас, то завдяки явищу електроосмосу, ми зможемо швидко і ефективно очищати арматуру, що знаходиться в бентонітовому розчині, від налиплих глинястих часток, значно підвищити величину зчеплення її з бетоном, покращити деформативні характеристики конструкції. Підключивши до позитивного джерела струму елемент, що розділяє ділянки бетонування (звичайно це – сталева труба), ми зможемо оточити його глинястою оболонкою з допомогою електрофорезу. Шар набубнявілих глинястих часток, на наш погляд, може бути ефективним мастилом, що зменшує зчеплення бетону, який схоплюється з цим елементом, і полегшує процес його витягу.

Ще один позитивний ефект від використання електрофорезу можна отримати при необхідності натяжіння арматури стін у ґрунті для створення попередньої напруги. Глинясту оболонку, що утвориться на аноді, можна використати як антифрикційний шар на сталевих каналоутворювачах. Їх необхідно витягти з бетону після його твердіння для розміщення арматури, що напружується в отриманих каналах. Для цього достатньо підключити такий елемент, що знаходиться в глинястому розчині, до позитивного джерела струму на необхідний час перед бетонуванням.

Вивчивши процес використання явищ електроосмосу і електрофорезу в умовах зведення монолітних стін у ґрунті і закономірності впливу технологічних параметрів на величину зчеплення сталевих стрижнів, підключених до анода і катода, з бетоном, ми зможемо регулювати процес зчеплення в обидві сторони.

Наступний етап роботи - це теоретичне обгрунтування і розробка концепції інтенсивної технології зведення протифільтраційних завіс з використанням енергії постійного електричного поля.

В рекомендаціях НДІОСП їм. Герсеванова з використання глинястої кірки, що утворюється на стінках траншеї, зроблено застереження: допустимий градієнт напору не повинен перевищувати 500 (IЈ 500), а різниця напорів, діючих на спорудження, – 10м. Враховуючи допустиму величину градієнта напору, автор в роботі виконав розрахунок потрібної товщини глинястої кірки. При різниці напорів 5 м товщина кірки повинна бути не менше 10мм, при 10м – не менше 20 мм. Але для формування кірки товщиною більш 10 мм необхідний розчин з в'язкістю не менше 22 - 27 сек, наявність мінімальної різниці гідростатичних тисків глинястого розчину і грунтової води D Р не менше 0.05 МПА (біля 5 м). При цьому час формування кірки товщиною 10-15 мм складає 32 - 48 годин. Причому, при подальшому збільшенні часу витримування розчину в траншеї до 72 годин збільшення товщини кірки не відбувається, незважаючи на збільшення DР до 0.08 МПА і незалежно від типів ґрунтів.

Досвід роботи автора при спорудженні стін в ґрунті показує, що при витримуванні глинястого розчину в траншеї більше доби відбувається його часткове розшарування і вивалювання ґрунту в окремих місцях траншеї. Тому в дослідженнях було поставлено завдання отримати глинясту кірку товщиною до 15-20 мм за короткий проміжок часу. Вони були направлені на те, щоб визначити методи інтенсифікації процесу утворення гідроізоляційного шару з глинястих часток, що знаходяться в траншеї, заповненій глинястим розчином.

Грунтуючись на теоретичних положеннях, викладених в роботі, позитивному досвіді використання електроосмосу і електрофорезу для осушення ґрунтів та їхнього закріплення, автор побудував таку робочу гіпотезу. При будівництві методом “стіна у ґрунті” ґрунтова стінка траншеї може бути представлена як пориста діафрагма. Бентонітовий розчин і вода в порах ґрунту - як колоїдний розчин, в якому знаходяться в зваженому стані тверді частки. В цьому випадку можна припустити таке. Якщо в глинястому розчині, що знаходиться в траншеї, розмістити негативний електрод, а в водонасиченому ґрунті, поруч з траншеєю – позитивний, то відбудеться інтенсивний рух твердих часток бентоніту в сторону анода, а води – в сторону катода. При цьому пристінні шари ґрунту будуть кольматуватися, тобто ущільнюватися, за рахунок заповнення пор твердими частками, що мігрують з глинястого розчину до анода. Причому найдрібніші частки після заповнення пор будуть утворювати глинясту кірку на межі розділу фаз, тобто на стінках траншеї.

Викладена концепція стала основою інтенсивної технології зведення протифільтраційних екранів на стінках траншеї.

В т р е т ь о м у р о з д і л і показані методика, зміст, результати досліджень вібронагнітальної технології бетонування стін у грунті та їхній аналіз.

Створені теоретичні основи, фізико-математична модель такої технології і програма для її розрахунку на персональному комп'ютері дозволили визначити параметри коливань в різних точках стіни у ґрунті. Це дало можливість теоретично оцінити ступінь ущільнення бетонної суміші при зміні характеристик обладнання і технології. Порівняльний аналіз результатів теоретичних розрахунків з експериментальними даними, отриманими автором шляхом записів спектрограм прискорень, показав, що вони з достатнім ступенем точності відповідають один одному. Радіус зони активного ущільнення при використанні розробленого пристрою досягає 1.5 м. Позитивні результати порівняльного аналізу теоретичних і експериментальних даних дали підставу для виконання серії розрахунків з метою оптимізації технології та обладнання.

Аналіз результатів розрахунків дозволив оптимізувати конструкцію обладнання, запропонованого автором в роботі над кандидатською дисертацією, а також створити нові методи для реалізації розроблених теоретичних положень. Вони призначені для укладення і ущільнення важких бетонних сумішей з діапазоном рухливості від 2 до 12 cм, а також спеціальних сумішей на легких і надважких заповнювачах. Декілька таких конструкцій, захищених авторськими свідоцтвами і патентами на винаходи, наведені в роботі.

Незважаючи на достатню схожість теоретичних результатів і даних, отриманих при бетонуванні моделей стін у ґрунті, було прийняте рішення провести експерименти в натурних умовах, тому що моделі не могли в повній мірі імітувати умови зведення стін у ґрунті в траншеях під глинястим розчином.

Натурні експерименти і дослідна перевірка в умовах будівництва проводилися в траншеях глибиною 14 і 12 м, шириною 0.6 м. Довжина ділянок бетонування складала 2.4 і 3 м.

Глиняста суспензія готувалася в спеціально обладнаному цеху, доставлялася на майданчик для проведення дослідних робіт на автомобілі зі спеціальною ємністю (в м. Павлодарі) або готувалася на майданчикові з допомогою спеціального вузла для одержання бентонітових розчинів (в м. Одесі). Підбір складів бетонної суміші виконаний у відповідності з вимогою для підводного бетонування з вібруванням.

Бетонування дослідних взірців проводилося в спеціальних лотках в лабораторії, на моделях і в натурних умовах з допомогою спеціально розроблених приладів. В їхню основу входили бункер для прийому бетонної суміші і бетонолітна труба з вібровипромінювачами направлених коливань різноманітних параметрів. Заповнення бункера бетонною сумішшю проводилося зі спеціального майданчика з допомогою цебра або безпосередньо через лоток бетонозмішувача, в залежності від того, на якому рівні знаходився бункер. Контроль міцності бетону, укладеного в траншеї і моделі, здійснювався радіоізотопним методом, що також викладений в роботі.

Для зменшення обсягу робіт використана теорія скороченого планування експериментів. Обробка і оцінка результатів здійснювалася з використанням методів математичної статистики і експериментально статистичного моделювання.

Аналіз результатів вивчення технологічного процесу дозволив виявити таке.

Малорухомі бетонні суміші під дією вібрації переходять в стан важкої рідини, транспортуються по трубі і поширюються по секції, що бетонується. Однак в'язкість та об'ємна вага такої рідини перевищують ті ж показники для литої бетонної суміші з осадкою конуса 18-20 см і вище. Внаслідок цього перемішування таких бетонних сумішей з глинястим розчином відбувається в меншій мірі, ніж з литими бетонними сумішами.

Швидкість поширення по секції стіни у ґрунті бетонної суміші з осадкою конуса 8-10 см і менш – значно нижче, ніж литих бетонних сумішей. Такі суміші до увімкнення вібраторів транспортуються по бетонолітній трубі, але далі практично не поширюються, утворюючи лише горбок в основі труби. Після увімкнення вібраторів відбувається достатньо повільний перехід (від 2-5 сек., для бетонних сумішей з ОК = 8-10 см, до 10-15 сек., для бетонних сумішей з ОК = 2-4 см) бетонних сумішей у стан важкої рідини. Бетонна суміш починає поширюватися по секції, що бетонується. Такий повільний перехід від стану спокою в рух з поступово зростаючою швидкістю поширення, практично, не дає можливості захльостування і схоплення глинястого розчину бетонною сумішшю в процесі її поширення по ділянці. Тому при правильно вибраних технологічних режимах і параметрах обладнання домішки глинястих часток і зниження міцності, викликане їхньою наявністю, можливі тільки на поверхні контакту "бетон – глинястий розчин".

При використанні литих сумішей характер поширення інший. Максимальна швидкість поширення бетонної суміші в цьому випадку - в початковий період бетонування. Це приводить до схоплення бетонною сумішшю певної кількості глинястого розчину в початковий період бетонування (ефект "захльостування"). Підвищене водоцементне відношення, домішки глинястих часток погіршують якість стін: міцність, водонепроникність, тріщиностійкість, довговічність.

Виконаний аналіз показав, що усталена інтенсивність укладення бетонних сумішей може складати від 5 до 30 м3/година. Радіус поширення сумішей може перевищувати 3 м.

Для рішення питання про стійкість стінок траншеї і вплив природних умов при різноманітних поєднаннях технологічних факторів на міцнісні показники бетону стін у ґрунті були проведені натурні експериментальні дослідження. Для оцінки однорідності бетону стін у ґрунті була