ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
ЄРМАКОВА ІННА АНАТОЛІЇВНА |
УДК 624.138.22:622’17
ОСОБЛИВОСТІ ДИНАМІЧНОГО УЩІЛЬНЕННЯ
ҐРУНТОВИХ СУМІШЕЙ З ВИКОРИСТАННЯМ
ВІДХОДІВ ГІРНИЧОГО ВИРОБНИЦТВА – „ХВОСТІВ”
Спеціальність 05.23.02 – Основи та фундаменти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у 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 Швець Віктор Борисович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри основ і фундаментів
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шокарев Віктор Семенович, Запорізьке відділення Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій, директор
Провідна установа:
Одеська державна академія будівництва і архітектури, кафедра інженерної геології, основ та фундаментів, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса
Захист відбудеться 6 квітня 2006 р., о 1300, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд. 202.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва і архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.
Автореферат розісланий 3 березня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К.В. Баташева
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Значна частина будівель та споруд улаштовується на насипах – земляних спорудах. Це перш за все – земляні греблі, насипи автомобільних доріг, а також штучні основи в умовах слабких ґрунтів – ґрунтові подушки. Для утворення насипів і ґрунтових подушок необхідна велика кількість ґрунтів, які звичайно забирають із спеціальних кар’єрів. Улаштування кар’єрів приводить до втрати родючих земель, що суперечить розв’язанню екологічних питань конкретних територій. У зв’язку з цим постає питання про повну чи часткову заміну ґрунтів насипів іншим матеріалом.
З іншого боку, значні площі родючих земель України знищуються тим, що засипаються відходами гірничозбагачувальної промисловості („хвости”, шлами тощо). Доцільним було б знайти спосіб використання таких відходів для влаштування земляних споруд. Таким шляхом можна ефективно розв’язувати екологічні проблеми багатьох промислових регіонів.
Для забезпечення довгострокової міцності й поліпшення будівельних властивостей бажано надати „хвостам” характеристик зв’язного ґрунту, що можливо розв’язати шляхом створення суміші „хвостів” та дозованої кількості місцевих глинистих ґрунтів.
У працях вітчизняних і зарубіжних дослідників розроблені основи теорії ущільнення трьохфазних глинистих ґрунтівта методи оцінювання ефективності роботи різних ущільнювачів. Однак низку питань, пов’язаних з ущільненням ґрунтових сумішей, опрацьовано недостатньо. Закономірності ущільнення ґрунтів і їх сумішей у лабораторних умовах до нинішнього часу встановлюються за “стандартним методом”, запропонованим Р.Р. Проктором ще у 1933 році.
Оптимальні характеристики ущільнення, визначені стандартним методом, у більшості випадків не відповідають результатам виробничого ущільнення, що призводить до необґрунтованого призначення проектних показників щільності ґрунтів і сумішей, нераціональному використанню їх міцності й неефективному використанню ущільнювачів. Тому дослідження закономірностей процесу ущільнення ґрунтів та сумішей, а також розроблення методу прогнозування результатів цього процесу за даними лабораторних випробувань є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана дисертаційна робота являє собою частину загальної наукової програми держбюджетних досліджень за темою „Особливості динамічного ущільнення ґрунтових сумішей з використанням відходів гірничого виробництва” кафедри геотехніки Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.
Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є розроблення методики на
підвищення ефективності та поліпшення якості проектування й будівництва насипів і зворотних засипок.
Для досягнення цієї мети в роботі розв’язувалися наступні задачі:
- дослідження закономірностей ущільнення суміші „хвостів” із добавкою суглинку з використанням методу динамічного ущільнення;
- вивчення кількісного і якісного впливу домішок на зміну характеристик міцності й деформативності ущільнених ґрунтів;
- установлення закономірностей зміни оптимальних характеристик ущільнення суміші „хвостів” із добавкою суглинку під впливом різних факторів;
- розроблення методики проектування насипів та зворотних засипок із суміші „хвостів” із добавкою суглинку.
Об’єктом досліджень є ґрунтові суміші з використанням відходів гірничого виробництва – „хвостів”.
Предмет досліджень – особливості динамічного ущільнення ґрунтових сумішей із використанням відходів гірничого виробництва – „хвостів”.
Методи досліджень – проведення експериментальних і теоретичних досліджень динамічного ущільнення ґрунтових сумішей із використанням відходів гірничого виробництва – „хвостів”.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:
- вперше обґрунтовано загальну методику підбирання оптимального складу ґрунтової суміші з використанням відходів гірничого виробництва – „хвостів” – для влаштування земляних споруд; для конкретних умов Полтавського ГЗК установлено її склад із 70% „хвостів” і 30% покривних суглинків;
- розроблено нову методику нормування фізико-механічних характеристик ґрунтової суміші оптимального складу при проектуванні земляних споруд, який базується на встановленні взаємозв’язку між її фізичними і механічними характеристиками з урахуванням генетичних особливостей складових;
- удосконалено розроблену в ПолтНТУ математичну модель процесу ущільнення ґрунтів для суміші „хвостів” із добавкою суглинку, де вона розглядається на етапах деформування як ідеально пружне, пружно-пластичне та в’язко-пластичне середовище, враховуються також процеси її дилатансії.
- вперше розроблено технічні рекомендації до використання „хвостів” при зведенні земляних споруд.
Практичне значення одержаних результатів. Доведено ефективність використання сумішей „хвостів” із добавкою глинистих ґрунтів при будівництві земляних споруд. Розроблено інженерну методику, яка може бути використана при проектуванні насипів та зворотних засипок. Вона забезпечує достатню збіжність експериментальних і теоретичних результатів ущільнення ґрунтів та сумішей і може бути застосована у будівництві.
Упровадження результатів даної роботи було здійснене шляхом використання ґрунтової суміші із 70% „хвостів” та 30% суглинку при будівництві та реконструкції автомобільної дороги Київ–Харків (кілометр 340). Запропонована методика була впроваджена у практику проектування філією Полтавської дорожньо-експлуатаційної дільниці.
Особистий внесок здобувача. У ході експериментально-теоретичних досліджень динамічного ущільнення ґрунтових сумішей із використанням відходів гірничого виробництва здобувачем особисто:
- досліджено вплив вологості на закономірності ущільнення інертних матеріалів та встановлено межі ефективного ущільнення;
- досліджено особливості надання інертним добавкам властивостей зв’язного ґрунту;
- досліджено зміну механічних характеристик суміші у процесі ущільнення;
- установлено взаємний зв’язок між механічними характеристиками і показниками ущільнення для зазначеної суміші;
- опрацьовано методику прогнозування взаємозв’язку кінцевих результатів ущільнення суміші із заданими механічними характеристиками;
- перевірено закономірності отримані у лабораторних умовах;
- перевірено можливості встановлення взаємного зв’язку між лабораторними та натурними дослідженнями ущільнення суміші;
- запропоновано проект нормативів із визначення оптимальних характеристик ущільнення сумішей з умов заданої міцності і можливостей ущільнювачів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічному семінарі „Армування ґрунту при будівництві, реконструкції, захисту будівель та споруд” у Вінницькому державному технічному університеті (м. Вінниця, 2001 р.); на 53-ій, 54-ій, 55-ій та 56-ій наукових конференціях професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 2001 р., 2002 р., 2003 р., 2004 р.); на науково-технічній конференції творчої молоді „Перспективи розвитку будівельних конструкцій будівель, споруд та їх основ” у НДІБК (м. Київ, 2003 р.); на Міжнародному науково-технічному семінарі „Нелінійні методи розрахунку основ фундаментів і ґрунтових масивів” у Полтавському національному технічному університету імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 2003 р.).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 10 статтях у фахових збірниках наукових праць.
Структура й обсяг дисертації. В основу дисертації покладені результати експериментально-теоретичних досліджень, виконаних автором під керівництвом д.т.н., проф. М.Л. Зоценка в 2000-2005 роках.
Робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку літературних джерел, додатків. Вона викладена на 151 сторінці, із яких 131 сторінка тексту, 46 рисунків (1 с.), 4 таблиці (0 с.), 158 позицій літературних джерел (15 с.), 3 додатки (4 с.).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, викладені мета і задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.
У першому розділі розглянуто: фізичні й теоретичні основи ущільнення трьохфазних ґрунтів, представлено аналіз існуючих лабораторних і польових методів дослідження ущільнення ґрунтів, а також методи поліпшення властивостей ґрунтів.
В основі теоретичних положень про ущільнення трьохфазних ґрунтів, які розглянуто в дисертації, лежать роботи Н.Н. Іванова, П.П. Пономарьова, А.К. Біруля, В.І. Біруля, В.Ф. Бабкова, Н.Я. Хархути, Ю.М. Васильєва, Я.А. Калужського, О.Т. Батракова, В.Б. Швеця, В.Ф. Разорьонова, В.Г. Хілобока та інших науковців, які дослідили закономірності накопичення залишкових деформацій у процесі дії циклічного навантаження на ґрунт і показали, що величина залишкової деформації, яка накопичується в процесі ущільнення, знаходиться в логарифмічній залежності від числа прикладання навантаження. При цьому коефіцієнт інтенсивності накопичення залишкової деформації залежить від виду ґрунту та його фізичного стану.
Найбільш відомими лабораторними методами дослідження ущільненості ґрунтів є: метод стандартного ущільнення, ААSHO, дьєтертський, каліфорнійський статичного ущільнення, розрахунковий метод ХАДІ.
У результаті досліджень, виконаних В.Ф. Разорьоновим, Є.В. Платоновим, В.Г. Хілобоком, В.І. Коваленком, був розроблений метод вивчення ущільнення зв’язних ґрунтів, оснований на систематичному визначенні деформації ґрунту при послідовно зростаючій кількості динамічного впливу, названий методом динамічного ущільнення. На відміну від вищезазначених методів результати досліджень за методом динамічного ущільнення дозволяють отримати загальну залежність оптимальної вологості та відповідної максимальної об’ємної маси скелета ґрунту від заданої кількості ударів вантажу.
„Хвости” – це відходи збагачення корисних копалин, у яких переважають частинки порожньої породи. Тверда фаза хвостової пульпи подана сумішшю мінеральних частинок різного розміру – від 1 мм до часток мікрона. Склад частинок і їхня щільність залежать від мінерального складу порід, що вміщають корисні копалини. Значну площу (більше ніж 1300 га) займає, наприклад, хвостосховище Полтавського ГЗК (м. Комсомольськ), у якому зосереджено біля 160 млн. т відходів збагачення залізистих кварцитів. Висота намиву – 26 м.
Мінералогічний склад хвостів: кварц – 65%, карбонати – 14%, магнетити – 3,5%, гематити – 6,0%, інші силікати – 11,5%.
Гранулометричний склад „хвостів” змінювався з удосконаленням методу збагачення. Так, середньовиважений діаметр частинок на початку роботи ГЗК становив , десять років тому – , а зараз з уведенням флотації після магнітної сепарації – . Відразу при намиві щільність сухих „хвостів” становить т/м3, відповідно коефіцієнт пористості становить , характеризується як пухкий стан. Максимальне значення щільності сухих „хвостів” у хвостосховищі становить т/м3, відповідно коефіцієнт пористості – . Вони характеризуються як стану середньої щільності. При зміні щільності сухих „хвостів” від т/м3 до т/м3 модуль деформації збільшується у 5 разів.
Гранулометричний склад хвостів залізорудних збагачувальних фабрик належить, як правило, до пилуватих пісків; при різних способах гідронамиву в хвостосховищі відбувається фракціонування частинок за крупністю.
На основі проведеного аналізу стану питань за темою дисертації були визначені задачі досліджень.
У другому розділі розглянуті основи лабораторного методу вивчення ущільнення ґрунтів та їх сумішей з „хвостами” (метод динамічного ущільнення), який дозволяє дослідити не тільки кінцевий результат ущільнення зразків ґрунту, але і весь процес ущільнення при різних значеннях вологості, щільності та кількості ущільнюючих впливів.
Ущільнення суміші „хвостів” проводилося у сталевому стакані в умовах неможливості бокового розширення зразків на лабораторному приладі МДУ-1. Технічні дані приладу наведені у табл. 1. Робота одного удару приймається згідно з розрахованою величиною необхідних максимальних контактних тисків.
Таблиця 1
Технічні характеристики приладу для динамічного ущільнення
Маса
вантажу,
кг | Висота
падіння,
см | Робота
одного удару,
Дж | Діаметр
стакана,
см | Висота
стакана,
см | Кількість
ударів
за хвилину | Точність
реєстрації
деформ., мм
5,15 | 6,95 | 3,76 | 10,0 | 20,5 | 78 | 0,1
Метою досліджень, розглянутих у даному розділі, є експериментальна перевірка можливостей ущільнення інертних відходів гірничозбагачувальної промисловості – „хвостів” – як сумішей із глинистими ґрунтами для їх використання у якості матеріалу й основи при зведенні будівель та споруд.
Виявлення закономірностей ущільнення ґрунтів за допомогою методу динамічного ущільнення було проведено з сумішшю “хвостів” Полтавського ГЗК із добавленням суглинку в кількості 10%, 20%, 30% від ваги „хвостів”.
У табл. 2 наведений гранулометричний склад „хвостів” Полтавського ГЗК. Проби відібрані на території хвостосховища у червні 2000 року, безпосередньо з його поверхні, яка у той час знаходилася на висоті біля 26,0 м над поверхнею Землі.
Таблиця 2
Гранулометричний склад покривного суглинку, „хвостів” та їх сумішей
Діаметр фракцій | Межі і число пластичності
> 0,1 | 0,1-0,05 | 0,05-0,01 | 0,01-0,002 | < 0,002
покривний суглинок
1,8 | 16,2 | 50,6 | 11,6 | 19,8 | 22,19 | 35,94 | 13,75
„хвости”
0,6 | 16,5 | 26,1 | 55,4 | 1,4 | 19,9 | 21,1 | 1,2
суміш „хвостів” та 10% суглинку
0,72 | 16,47 | 28,55 | 51,02 | 3,24 | 19,2 | 21,6 | 2,4
суміш „хвостів” та 20% суглинку
0,84 | 16,44 | 30,92 | 46,72 | 5,08 | 19,4 | 23,1 | 3,7
суміш „хвостів” та 30% суглинку
0,96 | 16,41 | 33,45 | 42,26 | 6,92 | 19,6 | 24,40 | 4,8
За даними табл. 2 у складі „хвостів” переважають пилуваті частинки – 81,5%, піщаних частинок у пробах зафіксовано – 17,1%, а глинистих – 1,4%. Число пластичності „хвостів”, визначене за стандартною методикою, становило %, що дає змогу розглядати їх як пилуваті супіски, дуже близькі до пилуватих пісків.
Основною умовою використання „хвостів” у якості матеріалу насипу є надання їм властивостей зв’язності.
В основі методу динамічного ущільнення лежить теорія ущільнення трьохфазних ґрунтів, яка запропонована А.К. Бірулею. Згідно з цією теорією показано, що між питомим об’ємом скелета ґрунту (суміші) при ущільненні і логарифмом кількості ущільнюючих впливів є лінійна залежність:
, (1)
де – питомий об’єм скелета ґрунту після деякої кількості ущільнюючих впливів ; – кутовий коефіцієнт, який характеризує інтенсивність ущільнення ґрунту, см3/г.
Багаторазові експериментальні дослідження показали, що при ущільненні зразків ґрунтів (сумішей) в умовах постійної вологості послідовно зростаючою кількістю ударів вантажу виразно фіксувалися три характерні фази ущільнення:
1. Початкова фаза несталого режиму ущільнення, яка залежить від початкової величини питомого об’єму скелета ґрунту (суміші).
2. Основна фаза сталого процесу ущільнення, коли згідно з рівнянням (1) чітко проявлялася логарифмічна залежність між питомим об’ємом скелета ґрунту і кількістю ударів вантажу постійної ваги.
3. Кінцева фаза, яка характеризує неможливість подальшого ущільнення при заданому ударному імпульсі.
Усі три фази виразно показані на рис. 1.
Для кожного складу суміші було виконано динамічне ущільнення матеріалу при п’ятьох значеннях вологості. Дані експериментів було оброблено методом багатофакторного аналізу. Внаслідок цього встановлені такі кореляційні рівняння:
для „хвостів” ;
критерій Фішера ; коефіцієнт кореляції ;
для 90% „хвостів” і 10% суглинку ;
критерій Фішера ; коефіцієнт кореляції ;
для 80% „хвостів” і 20% суглинку ;
критерій Фішера ; коефіцієнт кореляції .
Із цих рівнянь видно, що ніякого взаємозв’язку між кількістю ударів, вологістю та питомим об’ємом скелета ґрунту не має. Тобто ці матеріали ущільнюються за іншими законами, характерними для незв’язних ґрунтів. Підтверджують ці висновки наведені критерії Фішера, які значно перевищують його критичну величину (). Слід відмітити, що критерій Фішера закономірно зменшується зі збільшенням частки суглинку в суміші. Це додатково свідчить про цілеспрямованість вибраного підходу досліджень.
Аналогічне рівняння взаємозв’язку для покривного лесового суглинку має вигляд
100% суглинку ;
критерій Фішера ; коефіцієнт кореляції .
Тільки при додаванні до „хвостів” 30% за вагою покривного лесового суглинку суміш набула якості зв’язного ґрунту. На рис. 1 показано графіки динамічного ущільнення суміші “хвостів” із додаванням 30% суглинку.
Рис. 1. Графіки динамічного ущільнення суміші „хвостів”
із добавкою 30% суглинку
Із рис. 1 видно, що при різних значеннях вологості чітко встановлюється зв’язок між питомим об’ємом скелета суміші і логарифмом кількості ударів вантажу. На всіх графіках при різних вологостях суміші спостерігається момент, коли подальше ущільнення стає малоефективним. Цей факт ілюструється порушенням лінійної залежності графіків ущільнення суміші при постійній вологості. Початок фази неефективного ущільнення показано точками 1, 2, 3, 4, 5. Для 2, 3, 4 збільшення щільності ускладнюється наближенням суміші до стану повного насичення водою (точки 1?, 2?, 3?, 4?, 5?), тобто переходом її з трьохфазного стану до двохфазного.
За допомогою багатофакторного аналізу отримане рівняння взаємозв’язку між кількістю ударів вантажу, вологістю та питомим об’ємом скелета суміші у вигляді
,
де ; при цьому критерій Фішера становив 1,107, а коефіцієнт множинної кореляції – 0,948. Надійність зв’язку між кількістю ударів вантажу, , вологістю, W і питомим об’ємом скелета суміші, , забезпечується відповідним значенням критерію Фішера.
За цими даними побудовано графік на рис. 2, який ілюструє залежність між вологістю суміші і мінімально можливим, за умови ефективного ущільнення, питомим об’ємом скелета суміші (питомим об’ємом скелета суміші) . Цей графік є вдосконаленою формою графіків стандартного ущільнення, призначених для встановлення оптимальної вологості W0 і максимальної щільності скелета суміші (максимальної щільності скелета суміші), .
Рис. 2. Графік визначення оптимальних характеристик ущільнення суміші для прийнятого ударного імпульсу | За графіками на рис. 1 для кожного значення вологості визначаються питомі об’єми скелета суміші, при яких завершується її ефективне ущільнення. Саме вони нанесені на поле графіку рис. 2.
Для суміші “хвостів” із добавкою 30% суглинку (рис. 2) при висоті падіння вантажу 6,95 см і його маси 5,15 кг отримано мінімальне значення см3/г (см3/г), яке досягається для даного робочого імпульсу при оптимальній вологості.
Практичне значення при встановленні необхідного ступеня ущільнення ґрунтів мають результати дослідження мінливості їх механічних характеристик у процесі будівництва та експлуатації земляних споруд під впливом атмосфери (зволоження, висихання, зміни температури) та інших факторів. Дослідженнями В.І. Біруля й іншими науковцями показано, що ґрунт, ущільнений при оптимальній вологості до проектної щільності, зберігає максимальні значення міцності й питомої ваги скелета ґрунту при його зволоженні.
Прикладом прогнозування мінливості механічних характеристик суміші із 70% „хвостів” і 30% покривного лесового суглинку при зміні її фізичного стану в широкому діапазоні вологості та щільності є дослідження, проведені автором у Полтавському НТУ. В лабораторних умовах за допомогою приладу МДУ-1 виготовлялися зразки ущільненої суміші у широкому діапазоні зміни щільності–вологості. З отриманих зразків ущільненої суміші вирізали проби для дослідження механічних властивостей суміші за допомогою компресійних і приладів одноплощинного зрушення. Результати досліджень оброблялися за допомогою методики багатофакторного аналізу. Внаслідок були отримані кореляційні рівняння взаємозв’язку між механічними і фізичними властивостями суміші:
МПа;
критерій Фішера; коефіцієнт кореляції;
кПа;
критерій Фішера; коефіцієнт кореляції;
град.;
критерій Фішера; коефіцієнт кореляції.
Аналогічні графіки одержані для покривного суглинку.
У табл. 3 наведені механічні характеристики для покривного суглинку й суміші із 70% „хвостів” і 30% покривного суглинку, розраховані за допомогою кореляційних рівнянь їх ущільненого стану при коефіцієнті ущільнення.
Таблиця 3
Механічні характеристики ущільнених суглинку і суміші
Матеріал | Щіль-
ність
твердих
частинок
, т/м3 |
Оптимал.
воло-
гість
W | Макси-
мал.
щіль-
ність
скелета
ґрунту
,
т/м3 | Проектна
щіль-
ність скелета ґрунту
,
т/м3 | Проектні характеристики
питома
вага
, кН/м3 |
мо-
дуль
деформа-ції
Е, МПа | кут
тертя,
град. | питоме
зчеплен-
ня
,
кПа
сугли-
нок | 2,67 | 0,24 | 1,688 | 1,64 | 2,03 | 18 | 22 | 40
суміш | 2,99 | 0,182 | 1,838 | 1,80 | 2,13 | 23 | 31 | 31
Як свідчать дані табл. 3, насип, виконаний із суміші – 70% „хвостів” і 30% покривного суглинку, має механічні характеристики, дещо вищі, ніж подібна споруда, що виконана лише з одного суглинку.
Цей ефект сприяє заощадженню енергоресурсів й будівельних матеріалів за рахунок упровадження суміші при влаштуванні штучних основ. З іншого боку розв’язується низка екологічних проблем, пов’язана з утилізацією відходів гірничо-збагачувального виробництва.
У третьому розділі викладені результати досліджень ущільненості сумішей „хвостів” із добавленням 30% суглинку конкретним ущільнювачем, проведеними у лотку кафедри геотехніки Полтавського НТУ за методикою, яка дозволила використати статистичні методи для виявлення закономірності ущільнення.
При ущільненні в лабораторних умовах ґрунт не має можливості бокового розширення тому, що ущільнююче зусилля прикладається відразу до всієї поверхні ґрунту, обмеженого жорсткою обоймою.
Усі дослідження ущільненості суміші були виконані у лотку довжиною 3 м, шириною 1,5 м і глибиною 2 м. Перед відсипанням суміші проводилося додаткове укочування вже ущільненої основи шару 30-40 проходами котка, щоб виключити можливість деформації основи при ущільненні досліджуваного шару суміші. Використовувався ручний рівнобарабанний коток масою 100 кг, шириною 60 см. Статичний тиск котка на ущільнений ґрунт становив МПа, що менше від міцності ґрунту МПа (ширина смуги контакту при останньому укочуванні – 1,38 см).
Для оцінювання результатів лоткових досліджень ущільненості сумішей „хвостів” розроблено об’єктивний спосіб аналізу і виключення окремих визначень вологості й питомого об’єму скелета суміші „хвостів” на основі широкого використання методів математичної статистики. Основу аналізу отриманих у процесі укочення окремих значень вологості та питомого об’єму скелета суміші становили:
1. Оцінка середніх квадратичних відхилень вологості від середнього значення вологості за дослідним шаром товщиною 10 см, коефіцієнта змінності, середньої квадратичної похибки середнього арифметичного, показника точності середнього арифметичного.
2. Оцінка середніх квадратичних відхилень окремих значень питомого об’єму скелета суміші в третій фазі ущільнення від середніх мінімальних значень питомого об’єму суміші на кожному пікеті досліджуваного шару та визначення коефіцієнта несталості, середньої квадратичної похибки середнього арифметичного, показника точності середнього арифметичного.
Результати польових експериментальних досліджень показали, що і в умовах обмеженої можливості бокового розширення спостерігалися закономірності, аналогічні тим, які були одержані в лабораторних умовах:
1. У процесі ущільнення суміші в лотку ущільнювачем виявилися три фази ущільнення: фаза невстановленого режиму ущільнення, основна фаза логарифмічного закону ущільнення, кінцева фаза неможливості подальшого ущільнення.
2. При укоченні сумішей спостерігався випадок ущільнення, коли початкова питома вага скелета суміші знаходиться у функціональному взаємозв’язку з вологістю, . При цьому інтенсивність ущільнення була постійною при різних значеннях вологості досліджуваних сумішей. Постійність інтенсивності ущільнення характеризувалась у координатах „питомий об’єм скелета суміші – логарифм кількості проходів котка” системою паралельних прямих (рис. 3).
3. При ущільненні ґрунтів в умовах обмеженої можливості бокового розширення між деформацією поверхні суміші та логарифмом кількості ущільнюючих впливів після деякої кількості ущільнюючих впливів, яка відповідає закінченню початкової фази невстановленого режиму ущільнення, спостерігалась лінійна залежність.
Рис. 3. Графіки результатів лоткового укочення суміші „хвостів”
із добавкою 30% суглинку рівнобарабанним котком
За допомогою багатофакторного аналізу отримане рівняння взаємозв’язку між кількістю проходів котка, вологістю і питомим об’ємом скелета суміші у вигляді:
,
де ; при цьому критерій Фішера становив 1,108, а коефіцієнт множинної кореляції – 0,949. Надійність зв’язку між кількістю проходів котка, , вологістю, W, і питомим об’ємом скелета суміші, , забезпечується відповідним значенням критерію Фішера.
За результатами лоткового ущільнення сумішей котком побудовані номограми ущільнення (укочення) суміші „хвостів” із добавкою 30% суглинку (рис. 4). Користуючись номограмою укочення, можна визначити:
а) максимальну щільність суміші при відомій вологості та заданій кількості проходів котка;
б) оптимальну вологість для будь-якої кількості проходів котка;
в) мінімальну кількість проходів котка, яка необхідна для ущільнення суміші до заданої щільності при відомій вологості.
Рис. 4. Номограма лоткового укочування суміші „хвостів” із добавкою 30% суглинку | У загальному вигляді для побудови номограми ущільнення суміші ущільнювачем в умовах постійної вологості, , необхідно попередньо визначити три індикаційні характеристи-
ки. Наприклад, кутові коефіцієнти і та розрахункове значення питомого об’єму скелета суміші при одному умовному ущільнюючому впливові в умовах повного водонасичення . Таким чином, виявлена принципова можливість
побудови номограми ущільнення суміші в лотку конкретним ущільнювачем за результатами лабораторних досліджень ущільненості цієї ж суміші.
У четвертому розділі описано моделювання процесів ущільнення ґрунтів і сумішей у насипах автомобільних доріг.
Для одночасного рішення задач про напружено-деформований стан основи при влаштуванні насипних масивів ущільнення за різними технологіями (забиванням, вдавлюванням, витрамбовуванням, розкочуванням тощо) й при наступній роботі вже сформованих цих же масивів під статичним навантаженням, включаючи граничний стан за ґрунтом, у Полтавському НТУ розроблено програмний модуль “PRIZ-Pile”, що реалізує МКЕ у фізично та геометрично нелінійній постановці. Використовуються восьмивузлові ізопараметричні кінцеві елементи з квадратичним описом геометрії та поля переміщень за перерізом (із чотирма точками інтегрування). Це дає змогу використовувати, крім прямокутної сітки кінцевих елементів, ще й криволінійну.
За неможливості бічного витиснення ґрунту з-під робочого органу при ущільненні слід моделювати лише вимушені вертикальні переміщення вузлових точок верхньої межі розрахункової області. При цьому можливість витиснення ґрунту в інших напрямках відсутня. Коректність застосування такої розрахункової схеми перевірена на тестовій задачі, за яку прийнята так звана “компресійна задача”.
“Компресійна задача” – моделювання динамічного ущільнення ґрунту без можливості його бічного витиснення в металевому стакані (“змінній формі”) з внутрішнім діаметром 100 мм плоскими гирями масою 5,15 кг при різних ударних імпульсах (у приладі МДУ-1).
Початкова висота насипання ґрунту в стакані мм. Зниження її поверхні після ущільнення досягало мм. Ґрунт – суміш 70% “хвостів” Полтавського ГЗК із 30% суглинків.
При моделюванні вихідна розрахункова область відповідає початковим розмірам зразка ґрунту – циліндр діаметром 0,1 м і висотою 0,07 м. Розрахункова схема має 35 квадратних КЕ (5Ч7) із розмірами 0,01Ч0,01 м і 130 вузли (39 закріплених). Вертикальні переміщення задавались усім одинадцяти вузлам (120-130) верхньої межі розрахункової області на величину мм.
За моделюванням динамічного ущільнення маємо, що насипний ґрунт отримав такі наведені значення характеристик: см3/г; ; МПа. З досліду їх величини становлять: см3/г; ; МПа.
Отже, маємо цілком задовільну збіжність результатів моделювання та лабораторних випробувань ґрунту в умовах одновимірної деформації.
Підготовка штучних основ методом поверхневого ущільнення ґрунтів важкими трамбівками позитивно зарекомендувала себе, в тому числі й у шляховому будівництві. Для наближеного визначення товщини ущільненого шару ґрунту залежно від різновиду ґрунту та параметрів трамбівки запропоновані й апробовані дослідні залежності.
Автором за консультацією Ю.Л. Винникова виконано числове моделювання ущільнення ґрунту важкою трамбівкою з використанням програмного модуля “PRIZ-Pile”.
Розміри восьмивузлових ізопараметричних кінцевих елементів в зоні значних деформацій становили 20Ч20 см, а за її межами – 40Ч20, 20Ч80, 40Ч80 см. Загальна кількість кінцевих елементів досягає 600. У цілому діаметр циліндра розрахункової області – 8 м, а його висота 16 м. Зниження поверхні ґрунту при трамбуванні імітувалося примусовим переміщенням вузлових точок кінцевих елементів на величину заглиблення трамбівки.
Параметри моделі визначались за компресійними випробуваннями при часі витримки ступенів тиску МПа секунд і доведенні тиску на зразок до МПа. Моделювалася зміна об'ємів кінцевих елементів при ущільненні ґрунту. Через експериментальні залежності модуля деформації та коефіцієнта пористості від об'єму ґрунту розраховувалися їх наведені значення у кожному кінцевому елементі.
Натурний експеримент виконано на ділянках (під під’їзні шляхи і майданчики ТЕЦ) Кременчуцького НПК. Дослідне ущільнення ґрунтової основи здійснювалось трамбівкою масою 2,2 т, діаметром м, яку скидали з висоти 4 м. Фізичні та компресійні властивості ґрунтів у природному й ущільненому стані визначались відбором зразків через 0,25 м за глибиною (під центром трамбівки) з наступним їх лабораторним випробуванням. Для кожної позначки відбиралось не менше від трьох зразків ґрунту.
Ґрунт ділянок, що використано у числовому експерименті, – суглинок лесовий, легкий пилуватий, просадочний із середніми значеннями природних показників: ; ; ; см3/г. Ущільнення здійснювалось із зволоженням ґрунту до за 12 ударів трамбівки за одним слідом.
Рис. 5. Розрахункова схема оцінки НДС деформування ґрунту при поверхневому ущільненні його важкою трамбівкою
(зниження поверхні основи під трамбівкою на 400 мм)
На рис. 5 наведена розрахункова схема оцінки напружено-деформованого стану (НДС) деформування ґрунту за результатами математичного моделювання при поверхневому ущільненні його важкою трамбівкою (зниження поверхні основи під трамбівкою на 400 мм).
Отже, апробовано використання методики числового моделювання МКЕ для визначення параметрів штучних основ, утворених поверхневим ущільненням важкими трамбівками (рис. 6).
Рис. 6. Приклади графіків зміни за глибиною щільності скелета ґрунту в природному (1) та в ущільненому стані за даними натурного експерименту (2) і результатами числового моделювання (3); 4 – поверхня ґрунту після ущільнення; 5 – границя зони достатнього ущільнення
Характер ущільнення ґрунту важкою трамбівкою, отриманий внаслідок моделювання, достатньо близько збігся з експериментальними даними.
Однією з проблем використання сумішей відходів гірничозбагачу-вального виробництва (так званих “хвостів”) із глинистими ґрунтами для зведення насипів і зворотних засипок, яка стоїть перед проектувальниками, є необхідність достовірного прогнозу характеристик таких штучних ґрунтів в ущільненому стані.
Шляхом натурних і лоткових досліджень було визначено оптимальне співвідношення складових такої суміші (70% – “хвостів” і 30% – суглинку), її оптимальна вологість (, де – вологість ґрунту на межі розкочування), потужність шарів після відсипання, режим ущільнення (зокрема укочуванням рівнобарабанним котком), щільність скелета ґрунту в ущільненому шарі після завершення укочування тощо.
Але за практичних умов проведення кожного разу таких досліджень досить трудомісткий процес, тобто бажано у більшості випадків отримувати достовірні величини наведених характеристик штучних масивів розрахунком. Тому є сенс використати числове моделювання процесу укочування насипного шару ґрунту.
Для моделювання укочування насипного шару суміші товщиною 110 мм прийнята вихідна розрахункова схема, що містить 60 прямокутних КЕ (12Ч5) із розмірами 0,10Ч0,022 м і 215 вузлів, із яких 45 закріплених. Розмір утворюючої циліндричної розрахункової області 1,20Ч0,11 м (тобто площа поперечного перерізу цієї розрахункової області відповідає площі поперечного перерізу лотка). Нижня межа розрахункової області приймалась, виходячи з експериментального досвіду про те, що шар, підстильний до насипного, є практично не стисливим. Вимушені вертикальні переміщення задавались вузловим точкам КЕ верхньої межі розрахункової області. Так, точкам 191-215 були задані вертикальні переміщення, які відповідали величині мм.
Рис. 7. Залежність щільності скелета суміші (г/см3) від
зниження поверхні шару ?h (мм) суміші укочуванням проходами котка
Ізолінії переміщень суміші у вертикальному напрямку від укочування за результатами моделювання являють собою паралельні горизонтальні лінії при однаковій відстані між сусідніми. Тобто за моделюванням ущільнення суміші в межах шару можна вважати рівномірним.
Залежність значень щільності скелета суміші від зниження поверхні шару укочуванням проходами котка за даними моделювання подана на рис. 7. Із нього видно, що як за моделюванням, так і за лотковим експериментом при мм величина щільності скелета суміші досягла см3/г.
Отже, доведена можливість визначення моделюванням досить достовірних величин наведених характеристик ущільнених укочуванням сумішей відходів гірничо-збагачувального виробництва з глинистими ґрунтами. Тобто, маючи вихідні параметри шару суміші (h, ) і задаючись величиною , отримуємо значення щільності скелету суміші в ущільненому шарі ().
У п’ятому розділі складено проект нормативів, який передбачає дослідне ущільнення ґрунтів (сумішей) у лабораторних умовах за допомогою приладу МДУ-1 (метод динамічного ущільнення). Метод дозволяє дослідити процес та закономірності ущільнення ґрунтів у широкому діапазоні ущільнюючої роботи, вологості й початкової щільності досліджуваних зразків. Кінцеві результати ущільнення (максимальні значення питомої ваги скелета ґрунту чи суміші) залежать тільки від вологості й не залежать від початкової щільності зразків.
Як свідчать механічні характеристики ущільнених суглинку і суміші, насип, виконаний із суміші – 70% „хвостів” і 30% покривного суглинку, має механічні характеристики, дещо вищі, ніж подібна споруда, яка виконана лише з одного суглинку.
Відповідні розрахунки показують, що при використанні суміші для виготовлення земляного полотна автомобільної дороги замість покривного суглинка зменшуються витрати щебеню при влаштуванні асфальтового покриття. При застосуванні суміші як ґрунтової подушки скорочуються витрати бетону й арматури на виготовлення фундаментів. При влаштуванні насипу, який обмежений укосом, при використанні суміші проти суглинку збільшується крутизна укосу. Тим самим зменшують об’єми насипу.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. У регіонах України з розвинутою залізорудною промисловістю існує глобальна екологічна проблема – зберігання й утилізація „хвостів”. Проблема полягає у знищенні сотень квадратних кілометрів земельних угідь, які займають хвостосховища – з одного боку та забруднення атмосфери кварцовим пилом – з другого. В основі цієї роботи лежить пропозиція утилізації „хвостів” шляхом використання їх при будівництві земляних споруд різного призначення. Оскільки споруди із чистих „хвостів” не відповідають екологічним вимогам, пропонується підвищити їх зв’язність додаванням покривних суглинків, які звичайно використовують при будівництві насипів.
2. У результаті проведених досліджень вдосконалені й використані для розв’язання поставленої задачі – підбору складу сумішей і вивчення їх властивостей – наступні методи дослідження ущільненості ґрунтів та сумішей:
- метод динамічного ущільнення спеціально приготованих зразків ґрунтів і сумішей, який забезпечує встановлення оптимальної вологості та максимальної питомої ваги скелета суміші у вибраному або заданому діапазоні ущільнюючих дій за неможливості бокового розширення сумішей при ущільненні;
- метод оцінювання характеристики ґрунтів та сумішей при ущільнені їх в умовах можливості бокового розширення механізованими ущільнювачами у лотках і польових умовах, який дає змогу дослідити закономірності ущільнення в широкому діапазоні ущільнюючих дій, питомого об’єму скелета ґрунту й вологості;
- метод визначення необхідного ступеня ущільнення ґрунтів та сумішей із умови забезпечення вибраних або заданих показників їх механічних властивостей.
3. Запропоновано та обґрунтовано загальну методику підбирання оптимального складу ґрунтової суміші з використанням відходів гірничого виробництва – „хвостів” для влаштування земляних споруд. На основі використання перелічених методів експериментальним шляхом для „хвостів” Полтавського ГЗК було встановлено оптимальний склад суміші із 70% „хвостів” і 30% покривного пилуватого середнього суглинку. При такому складі суміш набула властивостей зв’язного ґрунту, що підтверджено численними лабораторними й лотковими випробовуваннями за методикою її динамічного ущільнення.
4. При проведенні лоткових експериментальних досліджень ущільненості сумішей виявлено, що в умовах обмеженої можливості бокового розширення спостерігаються залежності, які отримані в лабораторних умовах. Розрахункові схеми взаємозв’язку фізико-механічних характеристик ґрунтів справедливі, як при ущільнені сумішей у лабораторних умовах, так і при дослідженні їх ущільненості в лотку.
5. Номограми ущільнення сумішей конкретним ущільнювачем, які рекомендуються для практичного використання, дозволяють визначити: максимальну щільність суміші при відомій вологості й заданій кількості ущільнюючих впливів; оптимальну вологість для будь-якої величини ущільнюючих впливів, мінімальну кількість ущільнюючих впливів, що необхідна для ущільнення ґрунту та суміші до заданої щільності при відомій вологості.
6. Проведені експериментальні дослідження ущільненості сумішей дозволили виділити основні принципи встановлення взаємозв’язку між результатами лабораторних, польових і лоткових досліджень. Запропонований метод визначення необхідного ступеня ущільнення ґрунтів та сумішей із умови забезпечення заданої міцності й стійкості земляних споруд оснований на використанні механічних характеристик, які виявляються методом суміщених досліджень пенетрацєю та обертальним зрізом, і розрахункових схем взаємозв’язку фізико-механічних властивостей ґрунтів та сумішей.
7. За допомогою програмного комплексу “PRIZ-Pile” для ПЕОМ, що реалізує метод кінцевих елементів у фізично й геометрично нелінійній постановці, створеному в Полтавському НТУ, вперше виконано математичне моделювання процесів ущільнення глинистих ґрунтів і сумішей, які мають місце у лабораторних та польових умовах. Такий підхід до оцінювання ущільнення ґрунтів і їх сумішей відкриває великі можливості інтенсифікації проектної справи при будівництві земляних споруд.
8. Установлено, що механічні властивості насипу із запропонованого складу суміші (70% відходів збагачення залізної руди – „хвостів” і 30% покривних пилуватих суглинків) істотно вище, ніж такого ж насипу з покривних пилуватих суглинків. Цей факт дозволяє обґрунтувати економічний аспект використання суміші як наслідок зменшення товщини дорожнього покриття, економії бетону й арматури при влаштуванні фундаментів та, нарешті, збільшення крутизни укосів насипу.
9. Таким чином, використання „хвостів”, які утворюються при збагаченні залізної руди, при влаштуванні насипів дає можливість розв’язати кілька різних задач:
- екологічні – збереження родючих земель і утилізацію відходів гірничої промисловості;
- технічні – забезпечення підвищеної міцності земляних споруд;
- економічні – заощадження будівельних матеріалів при влаштуванні доріг, фундаментів тощо на основі з ущільненої суміші.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Зоценко М.Л., Винников Ю.Л., Єрмакова І.А. Числове моделювання ущільнення ґрунту важкою трамбівкою у шляховому будівництві. // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – Одеса, 2001. – № 4. – С. 91-94 (автором визначені параметри моделі ґрунту стосовно моделювання ущільнення ґрунту важкою трамбівкою і порівняння з натурним експериментом).
2. Єрмакова І.А., Зоценко М.Л., Коваленко В.І. Визначення оптимальних характеристик ущільнення і складу ґрунтових сумішей з умови забезпечення заданих характеристик механічних показників: Збірник наукових праць “Армування ґрунтового масиву при будівництві, реконструкції, захисті будівель та споруд”. – Київ: НДІБК, 2001. – № 55. – С. 38-43 (автором запропоновано оптимальні характеристики ущільнення ґрунтових сумішей).
3. Коваленко В.І., Єрмакова І.А. Використання “хвостів” Полтавського ГЗК у дорожньому будівництві: Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). – Полтава, 2002. – № 9. – С. 32-35 (автором розроблено методику поліпшення будівельних властивостей “хвостів” шляхом добавки глинистого ґрунту).
4. Єрмакова І.А., Троценко Д.О., Алпатов Ю.В. Аспекти наукового супроводження проектування і будівництва при необхідності поліпшення будівельних властивостей ґрунтів: Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). – Полтава, 2002. – № 9. – С. 64-67 (автором викладено методику поліпшення властивостей слабких ґрунтів шляхом ущільнення трамбівками й різноманітними котками).
5. Єрмакова
