Оцінка неоднорідності ущільнених ґрунтів штучних основ

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оцінка неоднорідності ущільнених ґрунтів штучних основ

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

грунт ущільнення фундамент

Актуальність теми. Через урбанізацію і зменшення ділянок, придатних для сільського господарства, виникла тенденція будівництва - освоєння територій, які раніше вважалися непридатними для зведення будівель та споруд через технічні складності, у тому числі території зі складними інженерно-геологічними й гідрогеологічними умовами. Тому будівельникам при зведенні об'єктів доводиться використовувати підтоплені території, складені слабкими ґрунтами. За цих умов геотехніка рекомендує влаштування штучних масивів з кращими будівельними властивостями, ніж у природних ґрунтів. При цьому ж для розв'язання проблем, пов'язаних з утилізацією відходів промисловості, та зменшення вартості ґрунтових подушок виникає необхідність дослідження використання розкривних порід від видобування корисних копалин і їх сумішей як матеріалу штучних основ.

Певною проблемою при нормуванні властивостей ущільненого масиву також є невідповідність оптимальних параметрів ущільнення ґрунтів, отриманих за нормативними лабораторними методиками з їх фізико-механічними характеристиками, що мають місце у польових умовах при використанні сучасної ущільнювальної техніки, особливо при застосуванні вібраційних режимів роботи.

Водночас, ущільненим масивам притаманна неоднорідність, за параметри якої можуть бути прийняті: випадковий розкид значень характеристик ґрунтів, анізотропія їх механічних властивостей, закономірності ущільнення середовища за глибиною тощо. Ці параметри залежать від виду і природних властивостей матеріалу штучної основи, технологічних параметрів її зведення. Методи розрахунку подушок є детермінованими і не враховують фактичний розкид значень фізико-механічних характеристик ущільненого ґрунту, що призводить до закладання необґрунтованих запасів міцності й деформативності при їх зведенні. Отже, актуальність питання для фундаментобудування України додатково зумовлюється недосконалістю нормативної бази із проектування ґрунтових подушок.

Таким чином, тема роботи актуальна для: розширення нормативної бази проектування й зведення ґрунтових подушок; можливості утилізації розкривних порід та їх сумішей як матеріалу штучних основ; урахування параметрів неоднорідності ґрунтів штучних основ фундаментів будівель і споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає Постановам Кабміну України № 409 від 05.05.1997, № 1313 від 20.08.2000 р., наказам Держбуду України № 67 від 30.05.2003 р. і № 56 від 29.03.2005 р. про розроблення ДБН В.2.1-10-2009 “Основи та фундаменти споруд. Основні положення проектування” на зміну СНиП 2.02.01-83 “Основания зданий и сооружений” (державний реєстраційний № 0107U009145). Її виконано для розвитку цільової програми Держкомітету з питань науки й технології № 02.01.02/054-93 та рішень Координаційної ради з питань будівництва, захисту будівель, споруд, територій у складних інженерно-геологічних і сейсмічних умовах України й за етапами держбюджетної теми „Прогресивні конструкції основ і фундаментів у сучасному будівництві в Україні” № 67/7, складової програми „Матеріалоємність” КПКВ-2201020 Міністерства освіти і науки України та за науково-дослідною тематикою кафедри “Видобування нафти і газу та геотехніки” ПолтНТУ.

Мета роботи - оцінка неоднорідності ущільнених ґрунтів штучних основ.

Для досягнення поставленої мети слід розв'язати такі задачі:

- розробити методику дослідження неоднорідності ущільнених ґрунтів;

- провести комплексні лабораторні та натурні дослідження фізико-механічних властивостей ущільнених ґрунтів й експериментально отримати статистичні дані розкиду цих характеристик, при цьому перевірити відповідність існуючого нормативного підходу контролю якості ущільнення ґрунтів при зведенні штучних основ сучасними механізмами і дослідити вплив технологічних параметрів та їх змінності на характеристики ущільненого ґрунту;

- експериментально дослідити вплив розкиду фізико-механічних властивостей ущільнених ґрунтів подушки на її деформування в умовах просторового напруженого стану, оцінити неоднорідність ущільнених ґрунтів і вирішити питання про коректність застосування законів розподілу (ЗР) для випадкових величин (ВВ) характеристик ущільнених ґрунтів у складі штучної основи;

- вивчити вплив напружено-деформованого стану (НДС) штучного масиву на статистичний розкид властивостей деформативності ущільненого ґрунту, розробити методику моделювання впливу розкиду ВВ характеристик матеріалу основ і проаналізувати їх НДС моделюванням методом скінченних елементів (МСЕ) з використанням пружно-пластичної моделі та імітаційного моделювання;

- удосконалити інженерну методику розрахунку ґрунтових подушок з урахуванням установлених закономірностей неоднорідності їх властивостей і впровадити розроблені методики в практику проектування.

Об'єкт дослідження. Ущільнені ґрунти, розкривні породи та їх суміші як матеріал штучних основ.

Предмет дослідження. Оцінка неоднорідності ущільнених ґрунтів подушок.

Методи дослідження. Апробовані методи теорії планування експерименту; стандартний (АSТМ D 698-91) і модифікований (АSТМ D 1557-91) тести Проктора, стандартний (ГОСТ 22733-77) та експериментальні методи визначення оптимальних параметрів ущільнення ґрунтів; стандартні лабораторні (ДСТУ Б В.2.1-1-95, ДСТУ Б В.2.1-2-96, ДСТУ Б В.2.1-3-96, ДСТУ Б В.2.1- 4-96, ДСТУ Б В.2.1- 5-96) й польові способи визначення фізико-механічних властивостей ґрунтів; методи механіки ґрунтів; методи математичної статистики й теорії ймовірності; методи імітаційного моделювання; МСЕ для моделювання НДС штучних основ. Засоби вимірювальної техніки перевірені в установленому порядку. Метрологічне забезпечення дослідів відповідає Закону України “Про метрологію та метрологічну діяльність”.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Отримано нові дослідні дані впливу технологічних факторів на розкид значень фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів, розкривних порід і їх сумішей, при цьому встановлено, що найбільш суттєвий вплив на змінність властивостей матеріалу подушок має вид ґрунту та вміст домішок.

2. Вперше обґрунтовано коректні закони розподілу для випадкових величин фізичних і механічних властивостей ущільнених ґрунтів та їх сумішей у межах подушок. Порівнянням коефіцієнтів варіації фізико-механічних характеристик ущільненого, у тому числі при використанні розкривних порід, і природного ґрунту доведено, що в межах подушки він більш однорідний, ніж у природному стані.

3. Уперше поширено на ґрунтові подушки висновок про наведену анізотропію механічних характеристик матеріалу ущільнених штучних основ.

4. Удосконалено методику розрахунку за деформаціями подушок шляхом урахування встановлених законів розподілу фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів при чисельній імітації аналітично та методом скінченних елементів з використанням пружно-пластичної моделі, отримано функції розподілу випадкових величин розрахункового опору ущільнених ґрунтів та осідань насипних основ фундаментів і їх нерівномірностей.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

- доведенні можливості утилізації розкривних четвертинних порід і їх сумішей, використовуючи їх як матеріал ґрунтових подушок споруд;

- розробленні оптимальної методики ущільнення малозв'язних ґрунтів при використанні вібраційного режиму котків і визначенні впливу технологічних параметрів ущільнення на розкид випадкових величин фізико-механічних характеристик ґрунтів;

- доведенні невідповідності нормативних методик контролю якості ущільнення ґрунтів штучних масивів сучасним механізмам і розробленні відповідної методики оцінювання неоднорідності ущільнених ґрунтів;

- розробленні конструкції польового пенетрометра (патент № 41209 на корисну модель) для оперативного контролю якості ущільнення ґрунту шарів подушок;

- розробленні методики розрахунку ґрунтових подушок із урахуванням статистичних параметрів розподілу фізико-механічних характеристик ґрунтів;

- дослідженні змінності фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів штучних основ у часі.

Результати роботи використані:

- ДП „Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій” (НДІБК) при складанні п. 9.6 “Проектування на насипних та намивних ґрунтах” Державних будівельних норм України ДБН В.2.1-10-2009 “Основи та фундаменти споруд”;

- ТОВ “Ворскла Сталь” (м. Комсомольськ),, ДП “УКРГІПРОМЕЗ” (м. Дніпропетровськ), ТОВ “ЕКФА” (м. Полтава), ДП “Одестрансбуд” (м. Одеса), ТОВ “Краматорська транспортна компанія” (м. Краматорськ), ТОВ “Укренергобудмеханізація” (м. Київ), ТОВ ,,Гідромеханізація” (м. Київ) при проектуванні та науково-технічному супроводженні зведення насипу (площею 1,9 млн. м² і потужністю 4 - 6 м) під будівлі електрометалургійного заводу “Ворскла Сталь” на 3 млн. т слябів на рік у м. Комсомольськ Полтавської обл.;

- ТОВ “ЕКФА” при реконструкції складу ГСМ під резервуари об'ємом 1 тис. м³ Полтавського ГЗК (м. Комсомольськ); геотехнічному контролі якості ущільнення ґрунтової подушки (діаметром 50 м і потужністю понад 3 м) під 2 резервуари об'ємом 3 тис. м³ у с. Качаново Гадяцького р-ну Полтавської обл.; дослідженні основи під зерносховище на ст. Ромодан Миргородського р-ну Полтавської обл.;

- Полтавською обласною організацією “ПолтавАрхпроект” Національної спілки архітекторів України при проектуванні на намивних ґрунтах фундаментів магазину меблів (пр. М. Вавілова, 11, м. Полтава).

Особистий внесок автора. Результати досліджень, уключені в дисертацію, отримані автором самостійно. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає в: [2 - 4, 6 - 9, 16] - дослідно отримано достатній обсяг (понад 3000 ВВ) даних фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів, розкривних порід і їх сумішей, визначено вплив технологічних факторів на розкид цих значень, статистично обґрунтовано для фізичних властивостей ґрунтів та порід подушок коректність нормального закону розподілу, а сумішей - поліномо-експоненційного, для модуля деформації ущільнених ґрунтів і сумішей - логарифмічно нормального, кута внутрішнього тертя - нормального, питомого зчеплення - логарифмічно нормального, питомого опору пенетрації - експоненційного закону розподілу; [3, 4, 6] - порівнянням коефіцієнтів варіації характеристик ущільненого й природного ґрунту вперше доведено, що навіть при використанні розкривних порід у межах подушки він більш однорідний, ніж у природному стані; при цьому з технологічних чинників найбільш суттєвий вплив на змінність властивостей матеріалу нового масиву має вид ґрунту та вміст у ньому домішок; [3, 7, 8, 16] - розробленні раціонального способу ущільнення малозв'язних розкривних порід при застосуванні вібраційного режиму котків; [5] - обґрунтуванні співвідношення розмірів складових пенетрометра; [12] - поширено на ґрунтові подушки висновок про наведену анізотропію механічних характеристик матеріалу ущільнених основ; [14, 15] - удосконалено методику розрахунку подушок шляхом урахування встановлених законів розподілу характеристик ущільнених ґрунтів при чисельній імітації МСЕ з використанням пружно-пластичної моделі; за статистичним аналізом розподілу розрахованих осідань насипних основ фундаментів і їх нерівномірностей отримано функції розподілу цих параметрів як випадкових величин.

Апробація результатів роботи. Основні положення й результати дисертації доповідались на 9 Міжнародних науково-технічних конференціях: „Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 2008); „Надійність і довговічність будівельних матеріалів, конструкцій та основ фундаментів” (Волгоград, 2009); „Динаміка та міцність машин, будівель, споруд” (Полтава, 2009); „Інноваційні технології життєвого циклу об'єктів житлово-цивільного, промислового і транспортного призначення” (Ялта, 2009; Алушта, 2010); „Міжрегіональні проблеми екологічної безпеки” (Одеса, 2009); „Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика” (Дніпропетровськ, 2010) та „Геотехнічні проблеми мегаполісів” (Москва, 2010); 6-ій Всеукраїнській конференції „Механіка ґрунтів, геотехніка, фундаментобудування” (Полтава, 2009); професорсько-викладацького складу та аспірантів ПолтНТУ (2007-2010 рр.). У завершеному вигляді робота апробована на засіданнях кафедри видобування нафти і газу та геотехніки ПолтНТУ та кафедри тунелі, основи і фундаменти Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 праць, зокрема 10 статей у фахових виданнях ВАК й отримано патент № 41209 на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 199 найменувань (56 з них англійською мовою) на 20 с., 7 додатків на 155 с., 76 рисунків і 30 таблиць. Обсяг основного тексту роботи становить 123 с. Загальна структура досліджень подана на рисунку 1.

Рис. 1 Структурна схема досліджень неоднорідності ущільнених ґрунтових подушок, викладених у дисертаційній роботі; ВВ - випадкові величини; НДС - напружено-деформований стан; МСЕ - метод скінченних елементів

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні результати, отримані автором, виділено їх наукову новизну, практичну цінність та впровадження.

У першому розділі проаналізовано сучасні тенденції створення штучних основ ущільненням ґрунту та виявлено проблеми їх зведення. Виконано огляд науково-технічної літератури за напрямками: фізичні уявлення про ущільнення ґрунтів, їх сумішей і відходів промисловості; методи й нормування процесу зведення основ поверхневим ущільненням ґрунту; оцінювання природної та наведеної неоднорідності й анізотропності масивів; моделювання МСЕ НДС ущільнених основ.

Світова практика накопичила певний досвід зведення геомасивів ущільненням ґрунтів та їх сумішей, зокрема штучних островів на шельфових територіях (Kansai, Chubu, Makao аеропорти, Palm Island, World, Perl-Qatar та ін.), гребель (Orovill, Serr-Ponson, Нурекська і Сарсаганська ГЕС й ін.), дамб, портових гідротехнічних споруд, насипів, ґрунтових подушок тощо. Значні дослідження у цій галузі виконали Ю.М. Абєлєв, М.Ю. Абєлєв, Д.Д. Баркан, А.О. Бартоломей, В.М. Безрук, А.І. Білеуш, А.К. Біруля, В.І. Біруля, І.П. Бойко, Ю.Л. Винников, М.М. Герсеванов, В.М. Голубков, М.Н. Гольдштейн, А.Л. Готман, Б.І. Далматов, М.Г. Демчишин, А.І. Догадайло, М.Ф. Друкований, М.П. Дубровський, М.Л. Зоценко, П.Л. Іванов, В.О. Іллічов, В.Д. Казарновский, Ю.О. Кірічек, С.М.Клепіков, В.І. Коваленко, П.О. Коновалов, М.В. Корнієнко, В.І. Крутов, І.А. Кудрявцев, С.Я. Кушнір, І.М. Литвинов, М.М. Маслов, М.С. Метелюк, О.О. Петраков, В.М. Пивонос, Є.В. Платонов, В.Ф. Разорьонов, А.М. Рижов, В.Л. Сєдін, С.А. Слюсаренко, Є.А. Сорочан, Л.Р. Ставніцер, В.Г. Таранов, З.Г. Тер-Мартиросян, Л.М. Тімофєєва, О.М. Трофімчук, Ю.Ф. Тугаєнко, В.М. Уліцький, Р.А. Усманов, Н.Я. Хархута, М.О. Цитович, Г.І. Черний, Д.М. Шапіро, В.Г. Шаповал, В.Б. Швець, О.В. Школа, K. Akai, S. Avsar, H. Brandl, A. Brito, J. Chu, M. Davoudi, K. Farooq, L. Lemos, P. Mengй, O'Brien, K. Ong, A. Pak, R. Proctor, S. Varaksin, P. Venda, K. Virk та інші.

Для достатньо високої точності розрахунку та визначення дійсних параметрів НДС основ слід ураховувати різні види неоднорідностей, що притаманні реальним масивам за рахунок різноманітності їх складу й структури, полідисперсності, багатофазності та полімінеральності ґрунтів, характеру внутрішніх зв'язків, впливу інженерно-геологічних процесів. При ущільненні масиву відбувається і формування наведеного анізотропного середовища. За параметри неоднорідності ущільненого ґрунту приймають розкид його фізико-механічних характеристик, закономірності ущільнення середовища за глибиною, анізотропію його механічних властивостей. Для наближення моделі штучних основ до їх дійсного НДС слід урахувати особливості неоднорідності ґрунту. Цьому присвячені праці Г.К. Бондарика, О.К. Бугрова, Ю.Л. Винникова, М.Н. Гольдштейна, М.Н. Єрмолаєва, М.Л. Зоценка, О.І. Ігнатової, І.І. Кандаурова, М.В. Корнієнка, А.П. Криворотова, В.І. Крутова, Б.П. Макарова, М.М. Маслова, С.І. Мація, В.В. Міхєєва, О.В. Пілягіна, А.П. Полака, А.П. Пшенічкіна, М.В. Раца, Л.М. Тимофєєвої, С.Й. Цимбала, К.Ш. Шадунца, В.І. Шейніна, О.В. Школи, V. Beek, B. Look, Z. Mlynarec, H. Neher, L. Rethaty та інших.

Розкид значень властивостей як природних, так і ущільнених ґрунтових масивів переважно значно більший, ніж в інших матеріалів будівельних конструкцій. За підходом урахування особливостей неоднорідності ущільнених ґрунтів основ у розрахункових моделях виділено 4 групи. У І розроблена можливість одержання наведених характеристик ґрунту ущільнених основ. У ІІ - неоднорідність штучного середовища описують за допомогою ймовірнісних моделей, де ґрунт є не суцільне, а дискретне середовище. У ІІІ - як модель випадково-неоднорідної основи використовують модифікацію вінклерівського типу, де коефіцієнт жорсткості основи є ВВ з нормальним розподілом. У ІV використано ймовірнісний підхід. Недоліками моделей І групи є їх детермінованість. Методики ІІ групи не дістали рішень МСЕ, що ускладнює їх використання. Методики ІІІ групи дають спрощений розв'язок задач. Недоліки моделей ІV групи - неврахування особливостей ущільнення ґрунтів при зведенні основ (які вирішені у І групі) й відсутність алгоритмів для створення програмних комплексів із використанням МСЕ.

Для введення в інженерну практику стохастичних моделей штучної основи слід визначити статистичні параметри характеристик міцності й деформативності ущільнених ґрунтів, дослідити фактори, які впливають на характер розподілу їх ВВ, вивчити закономірності, що наявні в штучних масивах за час їх експлуатації.

Вищевикладене стало основою для постановки мети та задач дисертації.

У другому розділі представлено інженерно-геологічні умови дослідних об'єктів та технологічні параметри їх зведення (рис. 2). Розроблено методику дослідження неоднорідності ущільнених ґрунтів подушок у польових умовах, обґрунтовано способи визначення оптимальних параметрів ущільнення ґрунтів при лабораторних випробовуваннях. Загальна схема проведення досліджень показана на рисунку 3.

При складанні програми досліджень застосовані методи планування досліду, зокрема пасивного однофакторного експерименту для отримання статистичних даних фізико-механічних характеристик ущільненого ґрунту й змінності технологічних факторів. Дисперсійним багатофакторним аналізом за планом 3³ визначено сумісний вплив мінливості товщини шарів, гранскладу ґрунту, кількості проходів і режиму ущільнюючого механізму на змінність характеристик ущільненого ґрунту. Для виконання програми на трьох дослідних об'єктах проведено комплексні польові та лабораторні дослідження властивостей ущільнених ґрунтів. До їх складу входило лабораторне динамічне ущільнення відібраних ґрунтів при різних ударних імпульсах; польове ущільнення лесових суглинків пневмокотками (об'єкт № 1), лесових супісків і суглинків важкою трамбівкою (об'єкт № 2), розкривних порід (пісків пилуватих, мілких і середньої крупності, супісків та суглинків) самохідними вібро- й пневмокотками (об'єкт № 3); відбір зразків ґрунту та фіксація технологічних параметрів; стандартні лабораторні дослідження будівельних властивостей ґрунту, а також його пенетраційні випробовування.

Рис. 3 Структурна схема планування експериментальних досліджень неоднорідності ущільнених ґрунтів подушок: ВВ - випадкова величина

У результаті отримано достатні вибірки ВВ дослідних характеристик і технологічних параметрів. Зокрема, їх розмір становив для: вологості w - n = 100, щільності скелета ґрунту с_d - n = 55, кута внутрішнього тертя ц і питомого зчеплення с - n = 78 у горизонтальних кільцях та n = 28 - у вертикальних (об'єкт № 1); w - n = 155, с_d - n = 140, питомого опору пенетрації ґрунту R - n = 104 (об'єкт № 2); w - n = 3000, с_d - n = 3000, ц та с - n = 50, модуля деформації Е - n = 1500; кількості замірів проходів за одним слідом ущільнюючого механізму - n = 20, кількості замірів товщини шару h - n = 50 (об'єкт № 3).

У третьому розділі наведені результати лабораторних і польових досліджень фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів, відходів гірничої промисловості та їх сумішей. За підсумками статистичної обробки наведено результати натурних досліджень впливу мінливості технологічних чинників зведення подушок на параметри неоднорідності ущільнених ґрунтів, у тому числі з плином часу. Представлено характерні приклади реалізації моделей імовірнісного опису розподілів ВВ характеристик ущільнених ґрунтів і низки технологічних параметрів.

При лабораторних дослідженнях оптимальних параметрів визначено, що до певної межі за рахунок збільшення роботи удару збільшується й питома щільність скелета ґрунту. Отже, встановлювались оптимальні параметри ущільнення конкретного ґрунту при відомих технічних характеристиках механізмів.

Польові й лабораторні дослідження показали, що в більшості випадків фактична величина коефіцієнта ущільнення k_s > 1. Величини максимальної щільності скелета ґрунту для малозв'язних ґрунтів за “стандартним” методом ущільнення (тестом Проктора) виявилися нижчими за їх фактичні величини. Більш точні дані отримано за модифікованим тестом Проктора. Оптимальні параметри ущільнення для конкретних ґрунтів і механізмів дослідно визначали за величинами ударного імпульсу, що близькі до технічних характеристик ущільнювачів.

Будівельні властивості ущільненої ґрунтової суміші виявилися не гіршими, ніж для однорідних ущільнених ґрунтів, хоча спостерігається збільшення розкиду їх значень, а для ВВ с_d неякісно перемішаної суміші характерна двомодальність експериментального графіка їх розподілу. Технологічне змішування різних видів ґрунтів і віброрежим суттєво впливають на питоме зчеплення с ущільнених ґрунтів та мало - на кут внутрішнього тертя ц; величина модуля деформації Е ущільненого матеріалу залежить від с_d й інтервалу тиску в компресійних дослідах.

На характеристики ущільнених ґрунтів суттєво впливає віброрежим роботи котків. Зокрема, малозв'язні розкривні породи при використанні одних і тих же ущільнюючих механізмів (масою 14 т) для близьких гранулометричних складів (піски мілкі та пилуваті, однорідні) мають більш високі (на 1 - 10 %) кінцеві значення щільності скелета ґрунту при вібраційному режимі, ніж при статичному.

Показники ущільнення ґрунту суттєво залежать від близькості його вологості до її оптимального значення, товщини відсипаного шару, кількості проходів котка і режиму його роботи, які доцільно для кожного типу ущільнювачів визначати за дослідним укочуванням. Вібраційний режим дозволяє ущільнити малозв'язні породи шарами товщиною 40 - 60 см до нормативних величин (рис. 4): два перші проходи слід виконувати з малою частотою й амплітудою коливань при якомога меншій швидкості руху, при наступних проходах збільшувати частоту та амплітуду.

У результаті досліджень змінності товщини шарів насипу виявлено, що математичне очікування t_ср і коефіцієнт варіації v цього параметра для першого шару (t_ср = 0,55 м і v = 0,262) більші (на 38 % і 75 % відповідно), ніж для інших (t_ср = 0,4 м і v = 0,15) при кількості визначень товщини шару за площею в обох випадках п = 100 ВВ. Значна мінливість товщини шарів насипу (10 - 26 %) призводить до нерівномірного ущільнення ґрунту, а це безпосередньо впливає на неоднорідність отриманих після ущільнення характеристик матеріалу подушок.

У підсумку багатофакторного експерименту визначено, що найбільш суттєвий вплив на математичне сподівання значень щільності скелета має вид ґрунту та вміст у ньому домішок; другим за значимістю чинником є кількість проходів за одним слідом і режим роботи механізму (вібраційний чи статичний); найменш впливовою на вихідні параметри виявилась товщина шару ґрунту до ущільнення. Вплив технологічних факторів на характеристики ущільненого ґрунту подані на рисунках 4 і 5.

Дослідження впливу фактора часу на характеристики ущільненого ґрунту показали, що у нижніх шарах подушки відбулося додаткове ущільнення від власної ваги вищерозташованого ґрунту. Встановлена більш висока інтенсивність його самоущільнення при вологості w = 20 - 25 % порівняно з w = 6 - 18 %.

Для аналітичного опису експериментального розподілу ВВ фізичних характеристик ущільнених ґрунтів доцільно використовувати нормальний закон розподілу, а для щільності скелета ґрунту ущільнених сумішей - поліномо-експоненційний. При цьому, коефіцієнт варіації значень щільності скелета ґрунту коливався в межах 2 - 4,4 %, його вологості - 23 - 36 %, питомої ваги ґрунту - 4 - 4,6 %.

Модуль деформації Е ущільнених ґрунтів та їх сумішей найкраще описувати логарифмічно нормальним ЗР. Коефіцієнт варіації ВВ модуля деформації Е ущільнених ґрунтів становить 33 - 57 %. Статистичні параметри цих ВВ залежать також від тиску в компресійному приладі. Результати досліджень зведені на рисунку 7.

Кут внутрішнього тертя і питоме зчеплення с ущільнених ґрунтів та їх сумішей є випадковими векторами й найкраще описуються відповідно нормальним і логарифмічно нормальним ЗР. Коефіцієнт варіації значень становив 11 %, а с - 25 %. ВВ питомого опору пенетрації R ущільненого ґрунту найкраще апроксимуються експоненційним ЗР. Коефіцієнт варіації значень R становив 57 %. Графічна інтерпретація результатів досліджень наведена на рисунку 8.

Міцність ущільненого ґрунту в межах подушки в горизонтальному напрямку більша, ніж у вертикальному. Отже, штучним ґрунтовим масивам властива наведена анізотропія їх механічних характеристик.

У четвертому розділі подано підсумки ймовірнісного розрахунку фундаментів на подушках з урахуванням параметрів їх неоднорідності. Зокрема, аналітичними методами (лінеаризації, Монте-Карло, О.С. Личьова, В.П. Чиркова) отримано статистичні параметри розподілів ВВ розрахункового і граничного опорів ущільненого ґрунту, осідань S фундаментів на ґрунтових подушках та їх відносної нерівномірності. Чисельним моделюванням НДС подушок МСЕ при застосуванні пружно-пластичної моделі ґрунту із залученням імітаційного моделювання методом Монте-Карло при врахуванні експериментально встановлених ЗР ВВ фізико-механічних характеристик ґрунтів подушки встановлено статистичні параметри й ЗР ВВ осідань S фундаментів. За статистичним аналізом розподілу осідань S насипних основ фундаментів та їх відносної нерівномірності отримано ймовірність відмови. Зокрема, встановлено, що розподіли ВВ розрахункового й граничного опорів ущільненого ґрунту достатньо коректно апроксимуються нормальним законом Гауса. Коефіцієнт варіації ВВ розрахункового опору ущільненого ґрунту коливається в межах v = 21,8 - 36,3 %, а ВВ граничного опору - v = 34,4 - 37,5 %. Інші статистичні параметри зведено у таблиці 1.

Таблиця 1. Статистичні параметри розподілів випадкових величин розрахункового й граничного опорів ущільненого ґрунту

При ймовірнісному підході до визначення осідань S фундаменту на подушці встановлено, що існує ймовірність лінійної й нелінійної стадій деформування основи при неперевищенні тиском під підошвою фундаменту розрахункового опору ущільненого ґрунту при детермінованому підході. Тобто, в ґрунті одночасно розвиваються як пружні, так і пластичні деформації без розділення їх зон. Це явище зумовлено неоднорідністю характеристик ущільнених ґрунтів і випадковою природою навантажень та впливів на фундаменти.

Для багатошарової подушки значення коефіцієнта варіації осідання v_s менше, ніж для одношарової, хоча математичне сподівання осідання в 2,4 разу більше. Зменшення коефіцієнта v_s для багатошарового штучного масиву можливо пояснити тим, що це значення є результатом складання великої кількості випадкових мінливостей осідання в окремих шарах, які взаємно перекриваються. Коефіцієнт v_s також збільшується з підвищенням неоднорідності нашарувань. Величини v_s залежать і від товщини шарів h, співвідношень модулів деформацій Е у них. Коефіцієнт v_s збільшується зі зростанням неоднорідності нашарувань, зокрема, при більшій стисливості верхніх шарів, ніж підстильних, та зростанні співвідношення модулів деформації у них. Спосіб зведення подушки з різним ступенем ущільнення її шарів зменшує змінність осідання фундаменту на ній.

Імовірність відмови фундаментів на ґрунтовій подушці за І граничним станом вважається прийнятною, оскільки характеристика безпеки, запропонована О.Р. Ржаніциним, в = 4,82 > 3…4. За ІІ граничним станом існує ймовірність відмови за критерієм нерівномірності осідань фундаментів на одношаровій подушці 10,32 % (при (ДS/L)_и = 0,002) і 3 % (при (ДS/L)_и = 0,004). А на багатошаровій ці значення відповідно становитимуть 0,02 % та 0,0006 %.

Моделювання МСЕ НДС штучних основ із залученням методу Монте-Карло при числі ітерацій 10⁴ в імовірнісній постановці показує, що аналітично визначена ймовірність існування лінійної й нелінійної стадій деформування ґрунту добре описує реальні процеси, що відбуваються у подушках при їх завантаженні.

Результати досліджень розподілу та статистичних параметрів ВВ осідання фундаменту на ґрунтовій подушці наведено на рисунках 9 і 10 та в таблицях 3.

П'ятий розділ містить матеріали впровадження результатів досліджень у практику проектування і будівництва. Зокрема, удосконалено методику геотехнічного контролю якості ущільненого ґрунтового масиву за рахунок використання польового пенетрометра (Пат. 41209 Україна, Е02D 1/00). Розроблено пропозиції щодо забезпечення тривалої міцності штучних основ шляхом підбору та контролю оптимальних параметрів ущільнення ґрунтів. Розроблено рекомендації розрахунку і проектування штучних основ із урахуванням неоднорідності ущільнених ґрунтів.

Практичне впровадження підсумків роботи здійснювалося шляхом визначення оптимальної технології зведення подушки (механізмів і параметрів ущільнення ґрунту), у тому числі за рахунок лабораторних випробовувань та геотехнічного контролю якості ущільнення ґрунту, розрахунку розмірів фундаментів при розробленні робочих проектів й ін., що реалізовано на 6 об'єктах. Загальний економічний ефект при цьому становив понад 300 тис. грн. Результати досліджень упроваджено також при складанні п. 9.6 “Проектування на насипних та намивних ґрунтах” ДБН В.2.1-10-2009 “Основи та фундаменти споруд”.

Таблиця 3. Порівняльний аналіз статистичних характеристик осідання фундаментів на одно- і багатошаровій ґрунтовій подушці

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Викладені дослідження свідчать про розв'язання в дисертації наукової задачі з оцінювання неоднорідності ущільнених ґрунтів штучних основ. Вони дають змогу зробити такі висновки:

1. Уперше шляхом комплексних лабораторних і натурних досліджень на трьох об'єктах отримано понад 3000 випадкових величин фізико-механічних характеристик ущільнених ґрунтів, розкривних порід та їх сумішей, визначено вплив технологічних факторів на розкид цих значень, статистично обґрунтовано для фізичних властивостей ґрунтів і порід подушок коректність застосування нормального закону розподілу, а сумішей - поліномо-експоненційного, для модуля деформації ущільнених ґрунтів та сумішей - логарифмічно нормального, кута внутрішнього тертя - нормального, питомого зчеплення - логарифмічно нормального, а питомого опору пенетрації - експоненційного закону розподілу.

2. Вперше порівнянням коефіцієнтів варіації фізико-механічних характеристик ущільненого й природного ґрунту доведено, що при використанні розкривних малозв'язних порід, відходів гірничо-збагачувальної промисловості у подушці він більш однорідний, ніж у природному стані. З технологічних чинників найбільший вплив на змінність властивостей матеріалу нового масиву має вид ґрунту та вміст у ньому домішок, менший - кількість проходів за одним слідом і вібраційний чи статичний режим роботи механізму, а найменший - товщина шару до ущільнення. При цьому коефіцієнт варіації значень щільності скелета ґрунту становив 2 - 4,4 %, вологості - 23 - 36 %, питомої ваги ґрунту - 4 - 4,6 %, модуля деформації - 33 - 57 %, кута внутрішнього тертя - 11 %, питомого зчеплення - 25 %, питомого опору пенетрації - 57 %. Міцність ущільненого ґрунту подушки в горизонтальному напрямку більша, ніж у вертикальному.

3. Встановлено, що будівельні властивості ущільненої ґрунтової суміші не гірші за властивості однорідних ущільнених ґрунтів, хоча спостерігається збільшення розкиду їх значень, а для випадкових величин щільності скелета ґрунту неякісно перемішаної суміші характерна двомодальність експериментального графіка їх розподілу. Технологічне змішування різних видів ґрунтів та віброрежим суттєво впливають на питоме зчеплення ущільнених ґрунтів і мало - на кут внутрішнього тертя; величина модуля деформації ущільненого матеріалу залежить від щільності скелета ґрунту й інтервалу тиску в компресійних дослідах.

4. Доведено, що оптимальні параметри ущільнення порід слід визначати за імпульсами, близькими до технічних характеристик механізмів або натурними ущільненнями, оскільки стандартний лабораторний тест Проктора не досягає максимальної щільності скелета ґрунту, що відповідає можливостям сучасних ущільнювачів, зокрема у віброрежимі.

5. Визначено, що коефіцієнт варіації розрахункового опору ущільненого ґрунту подушки як випадкової величини становить 21,8 - 36,3 %, а граничного опору - 34,4 - 37,5 %. Тому за ймовірнісного підходу навіть при неперевищенні тиску під фундаментом розрахункового опору ґрунту є ймовірність, крім лінійної, ще й нелінійної стадій деформування основи, що зумовлено змінністю характеристик ущільнених ґрунтів і випадковою природою навантажень на фундаменти. Моделювання МСЕ з використанням пружно-пластичної моделі ґрунту і залученням методу Монте-Карло при числі ітерацій 10⁴ НДС основ коректно описує деформування подушок. Для багатошарової подушки значення коефіцієнта варіації осідання менші за одношарову, хоча математичне очікування осідання в 2,4 разу більше. Коефіцієнт збільшується зі зростанням неоднорідності нашарувань, зокрема, при більшій стисливості верхніх шарів, ніж підстильних і зростанні співвідношення модулів деформації у них. Спосіб зведення подушки з різним ступенем ущільнення її шарів зменшує змінність осідання фундаменту на ній.

6. Встановлено, що ймовірність відмови фундаментів на подушці за І граничним станом є прийнятною, бо характеристика безпеки в > 3 - 4, а за критерієм відносної нерівномірності їх осідань на одношаровій подушці - досягає 10 % за граничної величини (ДS/L)_u=0,002 і 3 % за (ДS/L)_u=0,004, але для багатошарової подушки ці значення становлять відповідно лише 0,02 % та 0,0006 %.

7. Результати досліджень реалізовано при складанні п. 9.6 ДБН В.2.1-10-2009 “Основи та фундаменти споруд” і при проектуванні й зведенні 6 об'єктів. Загальний економічний ефект при цьому становив понад 300 тис. грн.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Харченко М.О. Експериментальні дослідження неоднорідності ущільнення ґрунтів у складі штучного насипу / М.О. Харченко // Зб. наук. праць (Галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПНТУ, 2008. - Вип. 22. - С. 111-123.

2. Особливості виявлення взаємозв'язку фізико-механічних властивостей штучно ущільненого лесового ґрунту / Ю.Л. Винников, О.В. Андрієвська, В.С. Яковлєв, М.О. Харченко, О.О. Гудімов // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди : зб. наук. пр. - Рівне: НУВГП, 2008. - Ч. 1. - Вип. 16. - С. 226-232.

3. Використання малозв'язних розкривних порід для улаштування штучних основ / Ю.Л. Винников, В.І. Коваленко, М.О. Харченко та ін. // Будівельні конструкції: Міжвід. наук.-техн. зб. - К.: НДІБК, 2008. - Вип. 71. - Кн. 2 - С. 83-92.

4. Харченко М.О. Дослідження фізико-механічних характеристик неоднорідних за складом ущільнених ґрунтів / М.О. Харченко, Р.М. Лопан // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. пр. - Рівне: НУВГП, 2009. - Вип. 18. - С. 561-569.

5. Пат. 41209 Україна, Е02D 1/00. Пенетрометр польовий / Ю.Л. Винников, М.О. Харченко, А.В. Яковлєв та ін.; ПолНТУ ім. Ю. Кондратюка // Бюл. - 2009. - № 9.

6. Винников Ю.Л. Про вплив змінності технологічних параметрів при зведенні масивних насипів / Ю.Л. Винников, М.О. Харченко // Стр-во, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. Вып. №50. - Дн-вск: ПГАСА, 2009. - С. 109-114.

7. Винников Ю.Л. Вплив вібраційного режиму котків на ущільнення малозв'язних розкривних порід / Ю.Л. Винников, В.І. Коваленко, М.О. Харченко, Р.М. Лопан // Зб. наук. праць (Галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПНТУ, 2009. - Вип. 3 (25), Т. 1. - С. 40-49.

8. Винников Ю.Л. Використання відходів гірничо-збагачувальної промисловості для улаштування штучних основ / Ю.Л. Винников, М.О. Харченко, Р.М. Лопан, П.М. Омельченко // Вісник ОДАБА. - Одеса: ОДАБА, 2009. - Вип. № 36. - С. 75-83.

9. Винников Ю.Л. Дослідження механічних характеристик ущільненних матеріалів ґрунтових подушок як випадкових величин / Ю.Л. Винников, М.О. Харченко // Вісник ДНУЗТ ім. акад. В. Лазаряна. - Дн-вск: ДНУЗТ, 2010. - Вип. 32. - С. 26 - 30.

10. Харченко М.О. Імовірнісний розрахунок фундаментів на штучних основах із врахуванням їх неоднорідності / М.О. Харченко // Стр-во, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. Вып. №56. - Дн-вск: ПГАСА, 2010. - С. 580-587.

11. Винников Ю.Л. Умови забезпечення тривалої міцності штучних ґрунтових масивів / Ю.Л. Винников, В.І. Коваленко, М.О. Харченко, Р.М. Лопан // Зб. наук. праць (Галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПНТУ, 2010. - Вип. 2 (27). - С. 111-117.

12. Винников Ю.Л. К оценке неоднородности сложения грунтовых подушок / Ю.Л. Винников, М.А. Харченко, А.В. Яковлев // Материалы V Международ. науч.-техн. конф. “Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов”. - Волгоград: ВолГАСУ, 2009. - С. 193-200.

13. Харченко М.О. Дослідження неоднорідності штучного ґрунтового насипу / М.О. Харченко // Тези 68-ої Міжнарод. наук.-практ. конф. “Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту”. - Дн-вск: ДНУЗТ, 2008. - С. 157-158.

14. Вплив мінливості властивостей матеріалу ґрунтової подушки на її розрахунок / Ю.Л. Винников, М.О. Харченко та ін. // Состояние современной строительной науки. - 2009. Сб. науч. тр. - Полтава: Полтавский ЦНТЭИ. - 2009. - С. 132-133.

15. Винников Ю.Л. Чисельне моделювання напружено-деформованого стану ущільнених основ з використанням імовірнісних методів / Ю.Л. Винников, М.О. Харченко // Зб. наук. праць Всеукраїнської наук.-практ. конф. "Проблеми й перспективи розвитку академічної науки". - Полтава: ПолтНТУ, 2009. - С. 164-165.

16. Vynnykov Y.L. The peculiarities of soil large area cushions erection of overburden rock / Y.L. Vynnykov, M.O. Kharchenko // Proc. of the International Geotechnical Conf. - Moscow, 2010. - V. 3. - Р. 1024-1031.

Размещено на Allbest.ru