Міністерство науки і освіти України

Національний гірничий університет

Максимова-Гуляєва Наталія Олександрівна

УДК 624.138.9

Обґрунтування параметрів способу підвищення стійкості зсувонебезпечних схилів за допомогою струминної технології закріплення грунтів

Спеціальність: 05.15.09 – “Механіка ґрунтів та гірських порід”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпро-петровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Власов Сергій Федорович,

професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Новікова Людмила Василівна,

завідувачка кафедри вищої математики Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

доктор технічних наук, професор

Петренко Володимир Дмитрович,

завідувач кафедри тунелів, основ і фунда-ментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна Міністер-ства транспорту й зв’язку України.

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, відділ механіки гірських порід (м. Дніпропет-ровськ).

Захист відбудеться “ 22 ” грудня 2006 р. о 1300 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005,
м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 21 ” листопада 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На значній території України (близько 60 % площі), в найбільш густонаселених індустріальних областях є небезпека утворення різних за масштабами зсувів. Якщо десять років тому геологами було зафіксовано близько 15 тисяч зсувонебезпечних ділянок, то в даний час їх кількість перевищила 20.

Придніпровська смуга розповсюдження лесових порід – це характерний регіон розвитку зсувних процесів. За кількістю можливих надзвичайних ситуацій Дніпропетровщина є одним із найнебезпечніших регіонів країни, і проблема проблем – зсуви. За даними Міністерства України з надзвичайних ситуацій, на протизсувну програму необхідно не менше 290 млн грн.

Актуальність проблеми боротьби зі зсувами, безсумнівно, велика і зумовлена їх широким розповсюдженням, а також небезпекою, яку вони представляють для житлової забудови, промислових підприємств, а в деяких випадках і для життя людей.

Одним із найефективніших способів протизсувного захисту є улаштування утримуючих конструкцій глибокого закладення.

В умовах використання струминного способу закріплення лесових порід цементними розчинами та підвищення надійності роботи утримуючих конструкцій виникає необхідність вирішення низки специфічних питань. У зв’язку з цим актуальною науково-технічною задачею є обґрунтування параметрів способу підвищення стійкості зсувонебезпечних масивів лесових порід за допомогою струминної технології.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 2002-2004 рр. (тема ГП-315 “Розробка фізико-технічних основ прогнозування меліоративного управління стійкістю лесових ґрунтів на основах сполучення їх механічних і термодинамічних властивостей”, ДР № 0103V001286).

Мета досліджень полягає в обґрунтуванні технологічних параметрів струминної технології закріплення порід, що забезпечують підвищення її ефективності при спорудженні протизсувних утримуючих конструкцій.

Ідея роботи полягає в створенні нової структури підвищеної міцності лесових порід, що складають зсувонебезпечний схил, для улаштування утримуючих елементів.

Для досягнення вказаної мети в дисертації ставляться й вирішуються такі основні задачі:

1. Аналіз та узагальнення інформації з літературних джерел і виробничого досвіду за темою дисертації, вивчення загальних закономірностей зсувних процесів і особливостей зсувоутворення на схилах, складених лесовими породами.

2. Встановлення закономірностей зміни механічних властивостей цементолесових сумішей від процентного вмісту компонентів сумішей і строків твердіння.

3. Визначення раціональних рецептур цементолесових сумішей, що забезпечують з урахуванням економічного фактору необхідні міцнісні показники утримуючих елементів протизсувних конструкцій.

4. Розробка способів удосконалення струминного закріплення лесових порід, що забезпечують підвищення ефективності протизсувних конструкцій.

5. Обґрунтування раціональних параметрів віброактивації та сегментного армування утримуючих протизсувних елементів для підвищення їх несучої здатності.

Об’єкт дослідження – технологія струминного закріплення порід.

Предмет дослідження – параметри способу підвищення стійкості зсувонебезпечних схилів.

Методи досліджень: поставлена в дисертаційній роботі мета досягнута шляхом використання комплексного підходу, тобто аналізу, узагальнення літературних даних і вивчення причин виникнення зсувних процесів, а також обладнання та експлуатації протизсувних конструкцій. Аналітичні та прикладні дослідження виконані із залученням методів будівельної механіки, математичного моделювання та законів механіки гірських порід. Під час експериментальних досліджень застосовувалися лабораторні методи визначення міцнісних показників і модуля Юнга цементолесових сумішей.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Зміна кількості вапна від 2 до 5 %, що додається до цементного розчину при В/Ц = 1, дозволяє збільшити міцність цементолесової суміші в 1,5 рази і досягти максимального її значення 7,5 МПа при вистоюванні 42 доби, що дозволяє підвищити економічну ефективність формованих цементолесових протизсувних конструкцій.

2. Залежність міцності при стисненні від кількісного співвідношення цементу та вапна в цементолесовій суміші визначається наявністю деструктивної фази початку кристалізації: у віковому інтервалі від 0 до 70 діб описується багаточленом третього ступеня, другий інтервал – від 70 до 500 діб –експоненціальною залежністю, що дозволяє визначати терміни виробництва робіт з урахуванням періоду стабілізації зсувного схилу.

3. Міцність цементолесової суміші при максимальній досліджуваній кількості цементу та вапна після віброобробки протягом 60-120 с зростає в
1,2-1,4 рази в порівнянні з неактивованою, а її залежність у часі є експонента, що дозволяє визначати раціональні параметри віброобробки суміші при струминній технології закріплення.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що:

1. На основі аналізу об’єктивних внутрішніх зв’язків і загальних законів зсувоутворення за регіональною ознакою виділені зсуви дніпровського типу, що дозволяє раціонально підійти до вибору способів протизсувного захисту.

2. Вперше встановлений вплив домішок вапна і віброактивації на прискорення процесів твердіння цементолесових сумішей, що використовуються при струминній технології улаштування протизсувних конструкцій.

3. Вперше встановлені залежності міцності цементолесових сумішей при стисненні, вигині та зрізі від вмісту вапна і режиму віброактивації.

4. Вперше здійснений розрахунок армованих цементолесових протизсувних конструкцій у стадії пружних деформацій, що дозволило скласти типорозмірний ряд.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються:–

коректністю поставлених задач досліджень; використанням загальних законів формування зсувів, деградації лесових порід, теорії структуроутворення в дисперсних системах; значним обсягом проведених експериментів з визначення міцності цементолесової суміші при стисненні, з коефіцієнтом варіації 0,28, одержаним під час статистичної обробки результатів; задовільною збіжністю прямих і побічних експериментальних даних під час визначення міцності цементолесової суміші при зрізі (в межах від 80 до 90 %).

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей впливу співвідношення компонентів твердіючої суміші, її віброобробки та сегментного армування на міцнісні властивості елементів протизсувних конструкцій, створюваних за допомогою струминної технології закріплення.

Практичне значення отриманих результатів полягає в такому:–

обґрунтована ефективність удосконалення струминного способу закріплення порід шляхом уведення домішок вапна, віброактивації та армування елементів протизсувних конструкцій, а також улаштування здвоєних цементолесових паль, що січуться;–

розроблена математична модель оптимізації фінансових витрат, що дозволяє заздалегідь визначити вартість компонентів суміші залежно від її рецептури для обробки 1 т ґрунту;–

розроблена комп’ютерна програма розрахунку протизсувних цементолесових паль на вигин.

Реалізація роботи в промисловості полягає у впровадженні результатів досліджень у вигляді проектних пропозицій у розробки інституту “Дніпрометропроект”.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової задачі, мети, наукових положень і методик досліджень; отриманні та аналізі результатів експериментальних і теоретичних досліджень; обґрунтуванні технологічних параметрів улаштування протизсувних паль, споруджуваних за допомогою струменів високого тиску закріплюючих розчинів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на науково-технічній конференції „Армування ґрунтів при будівництві, реконструкції, захисті будівель і споруд” (Вінниця, 2001 р.), на п’ятій Всеукраїнській науково-технічній конференції „Механіка ґрунтів, геотехніка і фундаментобудівництво„ (Одеса,
2004 р.), на наукових семінарах і засіданні науково-технічної ради Проблемної науково-дослідної лабораторії № 1 Національного гірничого університету.

Публікації: за темою дисертації опубліковано 8 робіт, у т.ч. статей в спеціалізованих фахових виданнях – 6; збірниках матеріалів конференцій – 2.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних джерел із 98 найменувань на восьми сторінках і додатків; містить 129 сторінок машинописного тексту, 27 рисунків,
17 таблиць і п’ять додатків на 14 сторінках; загальний обсяг роботи – 165 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень і розробок, сформульовані мета, задачі, відображені наукова новизна та практичні результати, наведені наукові положення, а також дані щодо апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі проаналізовані фактори, що провокують формування зсувів. Останні утворюються на певному етапі формування схилу, однак це не відноситься до кожного з них. Необхідне сполучення декількох факторів, що перебувають у взаємозв’язку, для того, щоб почався й одержав розвиток процес зсувоутворення.

Будь-які зміни геолого-гідрогеологічних умов, вплив гідрометеорологічних і техногенних факторів сприяють погіршенню фізико-механічних властивостей порід, створюючи передумови для порушення стійкості схилів.

Важливим засобом для вивчення зсувних процесів є їх класифікація. У найбільш популярних роботах, авторами яких є О.П. Павлов, М.В. Родіонов, М.М. Маслов, М.М. Гольдштейн, Є.П. Ємельянова, Г.Л. Фисенко, та В.Д. Ломтадзе, цілком об’єктивно висвітлюється відповідне питання. На наш погляд, найбільш повний перелік ознак міститься в класифікації І.В. Попова, розробленій на основі класифікації Ф.П. Саваренського. У цей час існує біля сотні класифікацій, однак єдина й загальновизнана відсутня, а користування наявними для проектування протизсувних заходів утруднене через зайву деталізацію.

На підставі всебічного аналізу процесів зсувоутворення, з одного боку, та проблем протизсувного захисту – з іншого, ми дійшли висновку, що виділення типу зсувів за регіональною ознакою є резонним. Оскільки Придніпровський регіон має характерні риси рельєфоутворення, за властивостями покривних лесових відкладень займає особливе положення, то це й послужило підставою для виділення зсувів дніпровського типу.

Основною ознакою виділення зсувів дніпровського типу є їх формування в лесових породах, втрата міцності яких пов’язана із проявом просідання при замочуванні (деградація).

Виконаний аналіз причин дозволив змоделювати процеси формування зсувів у Придніпровському регіоні й обґрунтувати найбільш ефективні інженерні рішення підвищення стійкості схилів.

Багаторічний досвід будівництва та експлуатації протизсувних споруджень показав, що утримуючі конструкції глибокого закладення (буронабивні та забивні палі) мають низку переваг. Однак є й недоліки, до основних з яких відносяться: динамічний вплив на схил при забиванні паль, утрудненість розміщення забивних механізмів у стиснутих умовах схилу, а також досить складна технологія улаштування буронабивних паль. Це й визначило необхідність розробки нового більш економічного й технологічного способу створення елементів утримуючих конструкції глибокого закладення, а саме, обладнання цементолесових паль із використанням струминної технології, що забезпечує необхідні геометричні параметри й міцнісні властивості елементів.

Цей спосіб технологічно простий і цілком задовольняє вимогам провадження робіт на зсувонебезпечному схилі: 1) динамічний вплив на схил при проходці свердловини невеликого діаметра обертальним способом зведено до мінімуму; 2) формування цементолесових паль можливе в ґрунтах будь-якої вологості; 3) можливі довжина до 30 м і діаметр до півтора метра палі забезпечать утримуючий ефект навіть для великого зсуву; 4) цементолесові елементи можливо армувати по всій довжині або у верхній частині для зв’язку з ростверком, що поєднує їх у конструкції; 5) підйом монітора без обертання дозволяє формувати елементи прямокутної форми типу “стіна в ґрунті”. Такі елементи в створі із цементолесовими палями можуть використовуватися при підвищеній вологості ґрунтів зсувного тіла, коли існує ймовірність продавлювання їх між палями. Технологічно можливе улаштування елементів необхідної ширини з інтервалами між ними для одночасного обладнання дренажних споруд, що призначені для зниження фільтраційного тиску на схил.

У другому розділі розглянуто шляхи удосконалення струминної технології, що полягають в модифікуванні цементолесових сумішей, тобто в регулюванні їх властивостей за рахунок ресурсозберігаючих технологічних прийомів. Це визначає наукову спрямованість з питань зсувів. Комплекс технологічних засобів модифікування сумішей та протизсувних конструкцій досить широкий – це використання домішок, віброактивація, армування та ін. Одним з найефективніших і універсальних способів є введення домішок.

Хімічними домішками прийнято вважати речовини мінерального походження, що вводяться в суміш в невеликих кількостях (до декількох відсотків) і суттєво впливають на її властивості.

Ступінь роздробленості і, як наслідок, велика питома поверхня дисперсних частинок лесових ґрунтів зумовлює їх високу фізико-хімічну та хімічну активність, що впливає на властивості суміші. Вплив на властивості суміші надає не тільки ступінь дисперсності, але й мінералогічний склад ґрунтів.

Головні колоїдно-дисперсні мінерали лесових ґрунтів мають поглинальну здатність.

Суму поглинених катіонів, виражену в міліграм-еквівалентах на 100 г ґрунту, прийнято називати ємністю поглинання, або ємністю обміну.

Явища поглинання значною мірою зумовлюють процеси коагуляції в цементолесових сумішах. Їй сприяє наявність Са-іона в системі.

Враховуючи поглинаючу здатність лесових ґрунтів (40 мг/екв на 100 г грунту), в якій на частку Са доводиться понад 70 % від ємності обміну, для цементолесових сумішей необхідно використовувати домішки речовин, що містять Са (гіпсу, хлоридів або вапна).

Однак, щоб уникнути технологічної провокації сульфатної або хлоридної корозії твердіючої суміші та металу арматури, раціональним буде внесення вапна. За результатами розрахунку необхідна мінімальна кількість вапна складає 2 % від ваги ґрунту.

На практиці неможливо створити ідеально однорідну суміш. Неоднорідність цементолесових сумішей, як і ординарних бетонів, пояснюється, в першу чергу, різною дисперсністю компонентів.

Наступною причиною неоднорідності суміші є специфічні особливості ґрунтів. Лесові утворення, як природна субстанція, генетично неоднорідні щодо пористості, мінералогічного складу і т.д., навіть якщо вони представляють один інженерно-геологічний елемент. Разом з цим, при руйнуванні ґрунтів високонапірними струменями цементної суспензії частина газів, у т.ч. й повітря, ув’язнених в макро- і мікропорах лесових грунтів, залишається в суміші, формуючи власний поровий простір.

Цементний камінь також неоднорідний, із змінними залежно від мінералогічного складу, умов твердіння та іншими параметрами міцності та деформативності.

З вищесказаного випливає, що загальна неоднорідність суміші зумовлює нерівномірний розподіл внутрішніх напружень, що під час твердіння в свою чергу знижує кінцеву міцність суміші.

З урахуванням наведених доводів виникає необхідність удосконалення струминної технології улаштування протизсувних утримуючих конструкцій у напрямі створення максимально можливої однорідної цементолесової суміші. Для вирішення цієї задачі слід доповнити перелік операцій даної технології віброактивацією створюваних утримуючих елементів.

Сутність віброактивації полягає у тому, що при ній сили внутрішнього тертя між частками суміші значною мірою долаються за рахунок переданої енергії коливань, внаслідок чого вона набуває підвищеної рухливості і самоущільнюється, виділяючи гази, що містяться в ній.

Під час віброактивації в результаті зіткнення частинок руйнуються первинні слабкі кристалічні зростки, відбувається подрібнення й більш рівномірний розподіл за об’ємом всіх компонентів суміші. Інтенсифікуються фізико-хімічні процеси, упорядковуються контакти між частками і, як наслідок, скорочується час схоплювання. У результаті утворюється мікропориста структура з більш рівномірним розподілом внутрішніх напружень.

У цементолесових дисперсіях внаслідок здатності поверхні частинок лесових ґрунтів до взаємодії (адсорбційній, хімічній, адгезійній) з продуктами гідратації цементу первинна просторова структура розвивається досить швидко. Вібраційне ущільнення необхідно проводити саме в цей період формування коагуляційної структури – період схоплювання. Це пов’язано з тим, що на наступному етапі твердіння структура кристалізації, що утворюється, зазнаючи механічної дії, незворотньо руйнується, що негативно позначається на кінцевій міцності одержаного матеріалу.

Завершальний етап удосконалення даного технологічного процесу – це забезпечення достатньої міцності утримуючих елементів за допомогою їх армування. Ідея армування заснована на можливості збільшення в елементах допустимих розтягальних напружень при вигині під впливом зсувного тиску.

Під дією згинаючих зусиль в початковій стадії експлуатації арматура і бетон в розтягнутій зоні елементу працюють спільно завдяки зчепленню, механізм якого пояснюється роботою адгезійних зв’язків і силами тертя.

Важливою особливістю цементолесової суміші є її підвищена адгезійна здатність, яка забезпечує надійний і міцний контакт з металом арматури.

Під впливом зсувного тиску, коли в розтягнутій зоні конструкції з’являються мікротріщини, зусилля починають сприйматися, в основному, арматурою. Руйнування елементу відбувається тільки тоді, коли досягаються напруження граничного опору бетону в зоні стиснення.

Перевагою протизсувних конструкцій з армованих сумішей є можливість використання місцевих матеріалів (лесових ґрунтів), а також результативність спільної роботи суміші та сталевої арматури, що зумовлена їх високим зчепленням і одночасно антикорозійним захистом арматури.

У третьому розділі викладена методика досліджень впливу домішки вапна на міцнісні властивості цементолесових сумішей, обґрунтовані раціональні параметри віброактивації та досліджена якість обробки сумішей.

Використовувався цемент М400, при замішуванні цементу водою
В/Ц = 1. При проведенні експериментів вміст цементу змінювався від 12 до 50 %, а вапна від 2 до 5 % від ваги ґрунту.

Аналіз отриманих результатів показав: цементолесові суміші інтенсивно набирають міцність до 42 діб. Причому характер залежностей подібний при стисненні, зрізі й вигині, але з різним рівнем показників.

Після 42 діб спостерігається спад міцності, максимальна тривалість якого близько 28 діб для співвідношення цемент/вапно 12/2 %, а мінімальна 14 діб – для співвідношення 50/5 %. Надалі міцність поступово зростає.

Залежність міцності суміші на стиснення від строків твердіння з різним відсотковим вмістом компонентів відбиває особливості послідовних стадій твердіння (рис. 1).

Перша ділянка (рання стадія) експериментальної залежності – період від 0 до 70 діб – відповідає інтенсивному кристалізаційному структуроутворенню (як наслідок спостерігається тимчасове зниження міцності) і описується багаточленом третього ступеня

де – міцність на стиснення, МПа; – період твердіння, доба; а, b, c, d – коефіцієнти апроксимації.

Друга ділянка (пізня стадія) від 70 до 500 діб – відповідає подальшому набору міцності, обумовленому процесами обростання кристалів, і описується експонентною залежністю

,

де – міцність на стиснення, МПа; – період твердіння, доба; a, b – коефіцієнти апроксимації.

Метою подальших експериментальних досліджень було встановлення характеру залежності між напруженнями та відносними деформаціями при стисненні.

Прямолінійна ділянка залежності відповідає розвитку пружних деформацій. Отримане апроксимуюче рівняння , що описує експериментальні криві в діапазоні пружних деформацій, дозволяє визначити модуль пружності – основну характеристику деформаційних властивостей цементолесових сумішей. Зі збільшенням міцності зразків модуль пружності зростає від 114 МПа (28 діб) до 400 МПа (100 діб).

Нами був досліджений вплив віброактивації на кінетику зміни міцнісних характеристик цементолесових сумішей, що твердіють у нормальних умовах. Вібрацію, тривалістю 60 й 120 с, проводили за допомогою лабораторного вібростола із частотою 50 Гц. Така тривалість і частота коливань прийнята виходячи з досвіду дослідження результатів віброобробки
бетонів.

Дослідження показали, що після первинної обробки суміші час початку схоплювання скоротився на 56, після вторинної – на 76 %, а кінця схоплювання, відповідно, на 65 і 80 % стосовно неактивованих сумішей.

Основним критерієм якості ущільнення є міцність зразків-кубиків на стиснення. Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що після віброобробки було ліквідоване зниження міцності зразків, пов’язане з інтенсивним утворенням дрібнокристалічної твердої структури (рис. 2).

Зміна міцності при одноосьовому стисненні цементолесових сумішей, віброактивованих 60, 120 с та повторній дії з часом із високою мірою вірогідності описуються експонентною залежністю вигляду

,

де – міцність при стисненні, МПа; – період твердіння, доба; – коефіцієнти апроксимації.

Поряд із цим, досліди показали, що активовані суміші набирають міцність у ранній термін твердіння. Потім приріст міцності поступово знижується. Так, після 60 с обробки міцність при стисненні 28-добових зразків зросла на 56 %, після 120 с – на 78 %, а після повторного вібрування тривалістю 60 с – на 104 % щодо неактивованих зразків. У більш пізній термін твердіння (100 діб) ефект обробки знижується відповідно до 7; 31 і 55 %.

На підставі от-риманих даних можна вважати, що максимальний ефект від віброактивації досягається, якщо первинна й вторинна обробки проводяться в період схоплювання. Цей висновок виправданий тим, що наше завдання й складається в ліквідації дефектів у коагуляційному каркасі суміші – основі кристалізаційної структури.

У четвертому розділі розглянуті три етапи напружено-деформованого стану (НДС) елемента, що згинається, протизсувних конструкцій.

Перший етап (стадія пружного деформування) відноситься до початкових ступенів навантаження до утворення тріщин у суміші розтягнутої зони палі. На цьому етапі всі складові армованого елемента працюють спільно, завдяки наявному між ними зчепленню.

Другий етап характеризує стан елемента після початку утворення тріщин у розтягнутій зоні. Напруження стислої зони не досягають граничного опору стиснення.

На третьому етапі (стадія граничного стану) у зоні розтягання цементолесова суміш повністю зруйнувалася, усе навантаження від зсувного тиску сприйняла арматура. У нерівномірно стислій зоні елемента, що згинається, напруження досягли межі й процес руйнування матеріалу палі відбувається лавиноподібно від периферії до центра.

З метою раціонального використання властивостей матеріалу (збільшення рівня напружень стиснення в порівнянні з напруженнями розтягання) доцільно розміщати арматуру в зоні розтягальних напружень. Це призведе до зміщення нейтральної осі від центра ваги симетричного поперечного переріза палі (неармованої або армованої симетрично по контуру) у зону розтягальних напружень, що зменшить їх рівень і збільшить рівень стискальних напружень.

При дослідженні стадії пружного деформування елемента протизсувної конструкції прийняті такі гіпотези:

1. Горизонтальне навантаження (зсувний тиск) за висотою палі розподілене у вигляді трикутної епюри (клин сповзання за теорією Кулона).

2. Рівнодіюча зсувного тиску спрямована уздовж осі симетрії палі.

3. Вертикальним навантаженням є власна вага палі.

4. Паля жорстко защемлена в ґрунтах, що не зміщуються.

5. Матеріали цементолесової палі й арматури підкоряються закону Гука.

6. При чистому вигині перерізи палі залишаються плоскими (гіпотеза Сен-Венана).

7. Зчеплення цементолесової суміші й сталевої арматури забезпечує рівність їх відносних деформацій на границях матеріалів.

Довільний прокатний профіль розташовується в площині симетрії палі у зоні розтягальних напружень (рис. 3). Одна з головних осей поперечного переріза профілю збігається з віссю х; с1 і с2 – центри ваги відповідно цементолесової палі радіусом і прокатного профілю.

Скористаємося принципом незалежності дії сил і розглянемо закономірність зміни нормального напруження в поперечному перерізі армованої палі тільки від дії вигинаючого моменту без урахування поперечних сил.

Відносна поздовжня деформація волокна ее1, розташованого на довільній відстані х від осі z, дорівнює

. (1)

Виходячи з того, що матеріал палі й арматури підкоряються закону Гука, розподіл напружень в елементі армованої палі може бути описаний виразами

(2)

Зміщення нейтральної осі (див. рис. 3) відносно геометричної осі симетрії обумовлюється різномодульністю матеріалів, що згинаються спільно.

Знайдемо положення нейтральної осі палі () з умови, що при чистому вигині сумарне поздовжнє зусилля в поперечному перерізі палі дорівнює нулю:

(3)

Після відповідних перетворень з урахуванням (2) отримаємо:

(4)

Співвідношення між згинальним моментом і напруженнями в цементолесовій палі та в прокатному профілі описується залежністю

(5)

У результаті послідовних перетворень з урахуванням (2) і (4) отримаємо вираз, що визначає кривизну вигнутої осі армованої палі

. (6)

Підставляючи (6) в (2), одержуємо формули для обчислення згинальних напружень у будь-якому елементі поперечного переріза армованої деяким профілем цементолесової палі, обумовленому координатою.

(7)

За принципом незалежності дії сил при розрахунку напружено-деформованого стану армованої палі необхідно врахувати стискальні напруження від власної ваги палі

де – усереднена об’ємна вага армованої палі; F – площа її поперечного переріза; h – висота палі.

Становить інтерес розгляд варіанта армування цементолесової палі арматурними стрижнями (у загальному випадку різного діаметру), розташованими в зоні розтягальних напружень.

Приймаємо вихідні передумови та гіпотези щодо симетрії розташування елементів, що армують, властивостей матеріалів, плоских перерізів при вигині аналогічно прийнятим під час розрахунку НДС палі, армованої прокатним профілем.

У підсумку одержимо формули, що визначають напруження в будь-якому елементі поперечного переріза армованої палі, залежно від координати , аналогічні (7).

Аналіз виразів (7) показує, що наведену вигинисту жорсткість армованої палі доцільно максимально можливо збільшувати. Для цього стрижні, що армують, необхідно брати максимальних діаметрів, розташовувати їх на можливо більшій відстані від осі палі та якнайближче одне до одного.

Розроблена методика розрахунку НДС утримуючої цементолесової палі, армованої в зоні розтягальних напружень, відрізняється від прийнятих методик урахуванням крихкості цементолесової суміші та її роботою тільки в пружній стадії деформування. Таким чином, ураховуються реальні властивості матеріалів палі. За розробленою методикою складена програма й розрахований типорозмірний ряд протизсувних паль, армованих тавровим профілем. Програма дозволяє розрахувати параметричні ряди цементолесових паль із різними типами сталевих балок, що армують.

П’ятий розділ присвячений питанню підвищення ефективності роботи пальових конструкцій за рахунок збільшення їх поперечного переріза шляхом улаштуванням здвоєних паль.

Схема здвоєної січної палі, орієнтованої за напрямком дії зсувного тиску, дозволяє розглядати обидві палі як одну конструкцію, що має максимально можливий момент опору переріза. Поряд із цим слід зазначити, що в результаті раніше виконаних експериментальних досліджень контактної зони елементів, що січуться, із цементолесових сумішей виявлена її стабільна міцність.

Для обґрунтування розміру перемички між здвоєними палями, що січуться, задаємося умовою. Максимальні дотичні напруження від горизонтального навантаження в нижньому поперечному перерізі палі в точці О (рис. 4) не повинні перевищувати припустимих

За формулою Д.І. Журавського

(8)

де b – шуканий розмір ширини поперечного переріза палі; – максимальна поперечна сила; – статичний мо-

мент відсіченої частини площі поперечного переріза щодо нейтральної осі ; – момент інерції площі поперечного переріза палі щодо головної центральної осі інерції.

Скористаємося прийнятою умовою міцності для визначення розміру b здвоєної палі з урахуванням (8)

(9)

Після перетворень одержуємо рівняння

рішення якого відносно дозволить визначити величину перемички.

Для оцінки ефективності форми здвоєної січної палі стосовно одиночної круглого поперечного переріза за величиною горизонтального навантаження, сприйманою одиниці об’єму палі, нами введений показник ефективності форми поперечного переріза у вигляді:

.

Як показали розрахунки, відносна ефективність знижується зі збільшенням кута . Оптимальні значення показника Е при = 100 дорівнюють ~ 10 %.

Поряд із цим обґрунтовано підвищення економічної ефективності за рахунок оптимального змісту компонентів суміші.

Розглянута в цьому дослідженні задача складається із двох частин:–

перша частина – установлення в математичній формі зв’язку між вмістом цементу, вапна та міцністю цементолесової суміші;–

друга частина – перехід від технологічного параметра (міцність суміші) до економічного критерію (вартість суміші) та оптимізації процесу (у сенсі мінімізації вартісних витрат на готування суміші заданої міцності).

Вихідну форму математичної моделі у вигляді рівняння регресії візьмемо з теорії планування експерименту. Для забезпечення адекватності результуючої моделі здійснимо уточнення вихідної моделі введенням квадратичного члена.

, (10)

де х1 – вміст цементу від 12 до 50 %, х2 – вміст вапна від 2 до 5 %.

У відповідності з методом коллокації коефіцієнти регресії уточненої математичної моделі (10) визначимо із системи лінійних рівнянь.

Внаслідок одержуємо остаточний вигляд рівняння (10) для наявного набору експериментальних даних

. (11)

Виходячи з нормативної міцності при стисненні бетонів М100 приймаємо мінімальну міцність цементолесової суміші рівною = 6 МПа. Використовуючи ( – коефіцієнт, що враховує можливість помилки при розрахунках величини ), одержуємо з рівняння (11)

. (12)

З урахуванням (12) вартість цементолесової суміші, за якої буде забезпечена її мінімально припустима міцність при стисненні () , визначиться відповідно до залежності

. (13)

На рис. 5 показано залежності, що відповідають рівнянням (12) і (13) при 300 грн/т;375 грн/т; = 6 МПа, 1,2. З наведених даних випливає, що має місце оптимальне сполучення вмісту цементу й вапна (23,0%; 10,1%), що відповідає мінімуму грошових витрат
( 107,09 грн/т) на виготовлення цементолесової суміші.

На підставі виконаних досліджень була розроблена методика проектування й технологія проведення робіт зі спорудження протизсувних конструкцій.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей впливу співвідношення компонентів та терміну віброобробки на міцнісні та деформаційні властивості цементолесової суміші вирішена актуальна науково-технічна задача обґрунтування параметрів способу підвищення стійкості зсувонебезпечних масивів лесових порід з використанням струминної технології закріплення ґрунтів, що дозволяє вирішувати технічні і економічні проблеми зсувонебезпечних регіонів.

Найбільш важливі наукові й практичні результати досліджень, висновки та рекомендації полягають у такому:

1. Уперше отримані закономірності зміни механічних властивостей (межі міцності при стисненні, вигині та зрізі) цементолесових сумішей при різних кількостях вапна й цементу залежно від строків твердіння.

2. У процесі дослідження міцнісних показників цементолесових сумішей зафіксоване зниження міцності в 1,05-1,3 рази залежно від процентного вмісту цементу й вапна. Явище обумовлене розвитком високих внутрішніх напружень, що викликають розширення, мікротріщиноутворення і як наслідок – зниження міцності в період початку інтенсивного формування дрібнокристалічної жорсткої структури.

3. Доведено, що міцність при стисненні цементолесової суміші з різною рецептурою залежно від строків твердіння описується багаточленом третього ступеня y = ax3-bx2+cx-d на ранній стадії процесу, а на пізній – експонентою
y = a(1-e-bx).

4. Уперше отримана залежність міцності цементолесової суміші від часу її віброобробки тривалістю 60 і 120 с із частотою 50 Гц, яка з високим ступенем точності виражається експонентною залежністю вигляду y = a(1-e-bx).

5. Уперше розроблена методика розрахунку сегментного армування протизсувних паль. Запропоноване розташування елементів, що армують, дозволяє повніше використати механічні властивості різнорідних матеріалів. Складений типорозмірний ряд протизсувних паль, армованих прокатним профілем.

6. Обґрунтована доцільність використання як елементів протизсувних конструкцій здвоєних січних паль.

Запропонований критерій оцінки ефективності форми здвоєних паль у порівнянні з одиночною з одним обсягом матеріалу, визначальним фактором якого була величина максимального горизонтального навантаження, що витримує протизсувна паля. Показано, що ефективність форми здвоєної палі
досягає 10 %.

7. Виконане економічне обґрунтування раціональної рецептури цементолесової суміші.

8. Результати досліджень у вигляді проектних пропозицій впроваджені в розробки Дніпрометропроекта.

Основні положення й результати дисертації опубліковані
в таких роботах:

1. Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Максимова-Гуляева Н.А. Способы усиления фундаментов и укрепление оснований с использованием струйной технологии закрепления грунтов // Науковий вісник Національної гірничої академії України. – 2001. – № 6. – С. 25-27.

2. Садовенко И.А. Власов С.Ф., Максимова-Гуляева Н.А. Обоснование возможности использования струйной технологии закрепления грунтовых склонов на основе анализа противооползневых мероприятий // Науковий вісник Національної гірничої академії України. – 2002. – № 5. – С. 31-33.

3. Власов С.Ф., Максимова-Гуляева Н.А. Оползни днепровского типа // Сб. науч. тр. НГУ. – 2004. – № 19, т. II. – С. 31-38.

4. Максимова-Гуляева Н.А., Налбандян Л.П., Солопов Н.Д. Основы теории структурообразования цементолессовых смесей // Сб. науч. тр. НГУ. – 2005. – № 22. – С. 64-69.

5. Ропай В.А., Власов С.Ф., Максимова-Гуляева Н.А. Математическая модель напряженно-деформированного состояния армированной цементолессовой противооползневой сваи // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2005. – № 8. – С. 47-50.

6. Ропай В.А., Власов С.Ф., Максимова-Гуляева Н.А. Применение сдвоенных свай при устройстве противооползневых конструкций // Теория и практика металлургии. – Д.: НМетАУ, 2005. – № 3. – С. 62-65.

7. Власов С.Ф., Бондаренко В.И., Максимова-Гуляева Н.А. Армирование грунтового основания зданий и сооружений с помощью струйной технологии // Матер. научн.-техн. конф. “Армирование грунтового массива при строительстве, реконструкции, защиты зданий и сооружений”. – К.: НИИСК, 2001. –
№ 55. – С. 7-11.

8. Максимова-Гуляева Н.А. К вопросу о механизме формирования поверхности скольжения оползней днепровского типа // 5-я Всеукр. научн.-техн. конф. “Механика грунтов. Геотехника и фундаментостроение”. – К.: НИИСК, 2004. – № 61, т. II. – С. 352-357.

Особистий внесок автора в роботи, написані в співавторстві, полягає в такому: [1-4, 7] – ідея, постановка задач досліджень, теоретичні дослідження, аналіз результатів; [5, 6] – постановка завдань, аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Максимова-Гуляєва Н.О. „Обґрунтування параметрів способу підвищення стійкості зсувонебезпечних схилів за допомогою струминної технології закріплення ґрунтів”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 – „Механіка ґрунтів і гірських порід”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006 р.

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуального наукового завдання обґрунтування раціональних технологічних параметрів улаштування за допомогою струминної технології протизсувних цементолесових паль і запропоновано її вдосконалення шляхом уведення домішки вапна, віброактивації й сегментного армування. Внаслідок теоретичних досліджень і виконаних експериментів визначено оптимальний вміст компонентів суміші.

Уперше отримана залежність міцності цементолесової суміші від часу її віброобробки.

Розроблена методика розрахунку сегментного армування протизсувних паль у стадії пружних деформацій. Складений типорозмірний ряд армованих протизсувних паль.

Обґрунтована доцільність використання здвоєних паль, що січуться.

Виконане економічне обґрунтування раціональної рецептури цементолесової суміші, що забезпечує необхідні міцнісні показники елементів протизсувних конструкцій.

Реалізацією результатів досліджень є проектні пропозиції, впроваджені в розробки Дніпрометропроекта.

Ключові слова: зсуви, лесові ґрунти, струминна технологія, цементолесові палі.

АННОТАЦИЯ

Максимова-Гуляева Н.А. “Обоснование параметров способа повышения устойчивости оползнеопасных склонов с помощью струйной технологии закрепления грунтов”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 – “Механика грунтов и горных пород”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006 г.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи обоснования рациональных технологических параметров устройства с помощью струйной технологии противооползневых цементолессовых свай и предложено ее усовершенствование. Необходимость последнего обусловлена специфическими особенностями оползнеопасных склонов и заключается в модифицировании цементолессовых смесей, т.е. в регулировании их свойств за счет ресурсосберегающих технологических приемов – добавления извести, виброактивации и сегментного армирования. В результате теоретических исследований и выполненных экспериментов определено оптимальное содержание компонентов смеси.

Учитывая поглощающую способность лессовых грунтов, в которой на долю Са приходится 70 % от емкости обмена, для цементолессовых смесей необходимо использовать добавки Са-содержащих веществ (гипса, хлоридов или извести). Во избежание технологической провокации сульфатной или хлоридной коррозии твердеющей смеси и металла арматуры рациональным является внесение извести. По результатам расчета необходимое минимальное количество извести составляет 2 % от веса грунта.

Доказано, что прочность смеси с различным процентным содержанием компонентов в зависимости от сроков твердения на ранней стадии процесса описывается многочленом третьей степени, а на поздней – экспонентой. При исследовании прочностных показателей смеси зафиксировано временное снижение прочности в 1,05-1,3 раза в зависимости от процентного содержания компонентов, обусловленное развитием высоких внутренних напряжений в период начала интенсивного формирования жесткой структуры.

Впервые получена зависимость прочности цементолессовой смеси от времени ее виброобработки продолжительностью 60 и 120 с с частотой 50 Гц, которая с высокой степенью точности выражается экспоненциальной зависимостью. Виброактивацию смеси следует проводить в период формирования коагуляционной структуры (начало – конец схватывания). Это позволит решить две важнейшие задачи, обусловленные специфическими особенностями проведения оползнезащитных мероприятий. А именно – сократить время включения в работу удерживающих конструкций и обеспечить их достаточную прочность.

Впервые разработана методика расчета сегментного армирования противооползневых свай. Предложенное расположение армирующих элементов позволяет полнее использовать механические свойства разнородных материалов. Обоснован типоразмерный ряд армированных противооползневых свай.

Обоснована целесообразность использования в качестве элементов противооползневых конструкций сдвоенных секущихся свай. Предложен критерий оценки эффективности формы этих свай по сравнению с одиночной. Показано, что эффективность формы сдвоенной сваи достигает 10 %.

Выполнено экономическое обоснование рациональной рецептуры цементолессовой смеси, обеспечивающей необходимые прочностные показатели элементов противооползневых конструкций. При пределе прочности 6 МПа минимальная стоимость материалов для закрепления 1 т грунта составит
107 грн при расходе цемента и извести соответственно 23 и 10 %.

Реализацией результатов исследований являются проектные предложения, внедренные в разработки Днепрометропроекта.

Ключевые слова: оползни, лессовые грунты, струйная технология, цементолессовые сваи.

ANNOTATION

Maksimova-Gulyaeva N.A. “Sabstantiating parameters of method of stability increasing of hazard lendsliding slopes using stream technology of fixing soils”. – Manuscript.

Dissertation on scientific degree of candidate of engineering science on speciality 05.15.09 – “Rock and soil mechanics”. National mining university, Dnepropetrovsk, 2006.

New decision of actual scientific problem of substantiating rational technological parameters of device using stream technology of against sliding cements and timber piles is given and its improvement by addition of lime, vibroactivisation and segment reinforcing is offered.

Dependence of durability of cement and timber mixture from the time of its vibrotveatment is first obtained.

Method of calculation segment reinforcing of against sliding piles is developed. The type and size row of reinforced against sliding piles is made.

Expedience of the using doubled crossed piles is substantiated.

Economic substantiation of rational composition of cement and timber mixture providing necessary durable indexes of against sliding construction elements is carried out.

Projects suggestions introduced into Dneprometroproekt developments are the results of research realization.

Key words: landslides, timber soils, stream technology, cements and timber piles.

Максимова-Гуляєва Наталія Олександрівна

Обґрунтування параметрів способу

підвищення стійкості зсувонебезпечних схилів

за допомогою струминної технології

закріплення ґрунтів

Автореферат

Підписано до друку 16.11.06. Формат 30х42/4.

Папір Captain. Ризографія. Ум.