Зміна фізико-механічних властивостей лесових просідаючих ґрунтів в зоні промислової забудови

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 624.131.23:624.131.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Зміна фізико-механічних властивостей лесових просідаючих ґрунтів в зоні промислової забудови (на прикладі Черкаського ВАТ „АЗОТ”)

05.23.02 - Основи і фундаменти

Демессіє Мекуріа Келкай

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис. удівля механічний ґрунт

Робота виконана на кафедрі основ і фундаментів Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор Корнієнко Микола Васильович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри основ і фундаментів

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Винников Юрій Леонідович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри видобування нафти і газу та геотехніки

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Романов Станіслав Васильович, Науково-дослідний інститут будівельного виробництва, завідуючий відділом науково - дослідного інституту будівельного виробництва

Провідна установа - Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій (НДІБК Мінбуду України), м. Київ

Захист відбудеться 14.02.2007р., о 13 год., на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 „Основи і фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розіслано 12.01.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради, к.т.н., доцент Г.Р. Блажіс

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У зв'язку із зростанням обсягів реконструкції діючих і підсиленням деформованих будівель і споруд, зведених на лесових просідаючих ґрунтах, виникає необхідність детального вивчення зміни фізико-механічних властивостей ґрунтів основ в період їх експлуатації.

Це питання особливо актуальне в зоні промислової забудови, де порушується природна рівновага між інфільтрацією і випаровуванням та відбувається додаткове штучне обводнення лесової просідаючої товщі за рахунок втрати агресивних виробничих вод.

Це призводить до зміни властивостей лесових ґрунтів, в першу чергу просідаючих, що може стати причиною нерівномірної деформації будівель і споруд.

Незважаючи на широкий розвиток промислового будівництва, залишаються недостатньо розробленими питання: формування зон підтоплення лесових основ; впливу на величину просідання рідких хімічних відходів виробництва, що потрапляють в основу; мінливості відносного просідання і початкового тиску просідання при тривалому замочуванні; розвитку просідаючих деформацій у часі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану держбюджетних робіт МОН України 8ДБ-2003 „Розробка теорії взаємодії будівель з ґрунтовою основою з урахуванням напружено-деформованого стану і моніторингу геосистеми”, наказ МОН України №633 від 5.11.2002 р., НДР 0103U000989, наказ КНУБА № 41 від 24.2.2003 р., в період 2003-2005 рр. і є продовженням досліджень, які проводилися в рамках науково-дослідної теми 6ДБ-2000 „Теорія моделювання процесів деформування пружно-пластичних середовищ в умовах природної та техногенної екскавації ґрунту при реконструкції історичних частин міст з розробкою нових методів визначення ґрунтових масивів”.

Мета і задачі дослідження. Мета даних досліджень - на основі натурних спостережень і лабораторного вивчення території промислової забудови встановити характер і особливості розвитку просідаючих деформацій будівель і споруд та зміни фізико-механічних властивостей лесових ґрунтів основ при дії на них виробничих рідинних відходів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- вивчити особливості геологічної будови майданчиків, складених лесовими ґрунтами, визначити їх фізико-механічні властивості;

- виконати лабораторні і польові дослідження розвитку просідання лесових ґрунтів залежно від тривалості навантаження і якості розчинів, що використовуються при замочуванні;

- провести натурні спостереження за коливанням рівня ґрунтових вод та просідаючими деформаціями будівель і споруд у зоні промислової забудови;

- встановити характер і причини деформації промислових будівель і споруд і надати пропозиції по їх усуненню;

- розробити методику розрахунку просідаючих основ з урахуванням дії на них витоку агресивних технічних вод підприємств хімічної промисловості і тривалості зволоження під навантаженням.

Об'єкт досліджень:

- просідаючі лесові основи промислових майданчиків;

- будівлі і споруди, побудовані на лесових просідаючих ґрунтах, що зазнають впливу просідаючих деформацій.

Предмет досліджень - визначення зміни фізико-механічних властивостей лесових ґрунтів основ під час експлуатації будівель і споруд на території промислової забудови; оцінка стану конструкцій будівель і споруд.

Методи досліджень:

- експериментальні: польові і лабораторні при спеціальному методологічному забезпеченні, точність і надійність вимірювань яких підтверджена розрахунковими і статистичними оцінками;

- натурні: спостереження за деформаціями будівель і споруд.

Наукова новизна одержаних результатів:

- уперше виявлено якісний і кількісний приріст відносного просідання лесових ґрунтів при їх замочуванні виробничими хімічними розчинами замість питної або технічної води;

- удосконалено методику лабораторних досліджень лесових ґрунтів основ промислових будівель і споруд, яка базується на комплексних компресійних випробуваннях зразків з насиченням рідинними хімічними відходами (кислотних та лужних розчинів);

- установлено, що визначення характеристик лесових просідаючих ґрунтів за стандартною методикою суттєво відрізняється за значенням при довготривалому зволоженні під навантаженням.

Практичне значення одержаних результатів:

– розроблено методику розрахунків основ фундаментів на лесових просідаючих ґрунтах з урахуванням виявлених кількісних змін значень відносного просідання та початкового тиску просідання під дією хімічних розчинів, які потрапляють в ґрунт;

– складено регіональні таблиці показників фізико-механічних і просідаючих характеристик ґрунтів території м. Черкаси, показано, що використання їх, з уточненням контрольними випробуваннями, дозволяє зменшувати обсяги польових і лабораторних робіт на 15-20 % без зменшення надійності одержуваних результатів;

– складено порівняльні таблиці зміни характеристик просідання лесових ґрунтів основ до будівництва та за період експлуатації будівель і споруд, що дає можливість прогнозувати їх кількісні та якісні зміни;

– розроблено рекомендації по усуненню причин деформації та відновленню

експлуатаційної придатності деформованих будівель і споруд у ґрунтових умовах досліджуваної території. Застосування запропонованих рекомендацій сприяло стабілізації деформацій виробничих будівель і споруд на території хімічних підприємств;

– результати практичних досліджень та розробок були впроваджені ЗАТ БМФ „Житлобуд 1”, ЗАТ „Черкаське пиво” і ВАТ „Азот” на майданчиках в м. Черкаси при проведенні інженерно-геологічних вишукувань і розробки проектної документації для будівництва та реконструкції виробничих будівель. За рахунок застосування запропонованих рекомендацій та використання регіональних таблиць для визначення характеристик просідання лесових ґрунтів було досягнуто економічний ефект на суму 10532,70 грн.

Особистий внесок здобувача в науковій роботі полягає в розробці методики та проведенні лабораторних і польових досліджень просідаючих властивостей лесових ґрунтів, обробці і узагальненні одержаних результатів, порівнянні цих даних з результатами досліджень інших авторів, а також проведенні натурних спостережень за деформованими будівлями та спорудами на території м. Черкаси і виявленні причин їх деформації, визначенні зміни властивостей ґрунтів основ за час експлуатації.

Результати, наведені в дисертаційній роботі, були одержані здобувачем самостійно. У статтях, які мають співавторів, здобувачу належать:

а) проведення лабораторних і польових випробувань лесових ґрунтів за стандартною та спеціально розробленою методикою, одержання, обробка і аналіз результатів [4, 6, 8];

б) проведення натурних спостережень за будівлями і спорудами, одержання, обробка і аналіз результатів [1, 2, 3, 5, 8];

в) систематизація практичних і експериментальних даних для подальшого використання узагальнених даних при проектуванні будівель і споруд на лесових просідаючих ґрунтах на досліджуваній території [7];

г) розробка рекомендації по відновленню експлуатаційної придатності деформованих будівель і споруд [1, 2, 8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення, матеріали і результати досліджень по дисертаційній роботі обговорювалися і схвалені на:

- науково-практичних конференціях 63-й (2002 рік), 64-й (2003 рік), 65-й (2004 рік), 66-й (2005 рік) і 67-й (2006 рік) Київського Національного університету будівництва і архітектури;

- 5-й Всеукраїнській науково-технічній конференції „Механіка ґрунтів, геотехніка і фундаментобудування” НДІБК, Одеса, 2004 р.

Публікації. Основні положення і матеріали наукових результатів досліджень по дисертації опубліковано у 8 роботах, з яких 7 - у наукових фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел (134 найменування), додатків, містить 157 сторінок основної частини, 41 рисунок, у т.ч. фотографії, 30 таблиць і додатки на 13 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформована мета і задачі досліджень, розкрита наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, наведені відомості про публікацію і апробацію дисертації.

У першому розділі розглянуті гіпотези щодо походження лесових ґрунтів, а також щодо розповсюдження і товщини їх в Черкаській області і Україні.

Проаналізовані якісні і кількісні показники деформації лесових просідаючих ґрунтів під навантаженням. У роботі використаний і узагальнений досвід науковців-попередників, таких фахівців, як Ю.М. Абелєв, В.П. Ананьєв, І.П. Бойко, Ю.Л. Винников, В.Н. Голубков, А.А. Григорян, А.М. Дранников, М.Я. Денісов, М.Л. Зоценко, В.Ф. Краєв, В.І. Крутов, Н.І. Крігер,
С.М. Клепіков, М.В. Корнієнко, А.К. Ларіонов, І.В.Матвєєв, О.Е. Пріходченко, А.М.Рижов, Е.М. Сергєєв, Ю.Ф. Тугаєнко, В.Г.Тарасюк, В.Б. Швец, та ін.

Висвітлені основні характеристики просідання і методи їх визначення.

На сьогодні найпоширенішим і найекономічнішим методом оцінки просідання лесових ґрунтів є випробування зразків ґрунту в лабораторіях на компресійних приладах по методиці „однієї” або „двох” кривих. Але, як показує практика, визначення величини і за даними методиками не завжди співпадає з фактичними величинами характеристик, встановлених при натурних спостереженнях або випробуваннях штампами.

Незважаючи на безперечні досягнення у вивченні поведінки лесових ґрунтів під навантаженням, залишаються невирішеними питання забудови території промислових підприємств на лесових ґрунтах і перш за все підприємств хімічної промисловості.

Відсутність чітких методичних вказівок по методиці лабораторного і польового визначення і (у тому числі і в часі) також призводить іноді до помилкових рішень при проектуванні та експлуатації будівель і споруд.

У другому розділі наведені інженерно-геологічні характеристики території м. Черкаси та визначені методики збирання і накопичення експериментального матеріалу.

Комплексне вивчення будови лесових товщ, фізико-механічних властивостей лесових ґрунтів майданчиків проводилося на основі дослідних лабораторних і польових випробувань автора і даних, одержаних іншими організаціями при дослідженнях на території м. Черкаси і Черкаської області. Обробка фактичного матеріалу проводилася методами математичної статистики.

На території, що вивчається, розглянуто 6 дослідних майданчиків. Загальна кількість зібраних експериментальних даних складає більше 400 комплексних визначень фізико-механічних характеристик ґрунтів на досліджуваній території. З них 240 відносяться до лесового супіску, 163 - до лесових суглинків. 47 комплексних результатів одержані безпосередньо автором при проведенні контрольних інженерно-геологічних досліджень на дослідних майданчиках. За одержаними даними складені узагальнюючі таблиці фізико-механічних характеристик лесових ґрунтів території м. Черкас. На цій території лесові супіски і суглинки зустрічаються всюди. У деяких місцях між ними залягає невеликим шаром (до 1,5 м) дрібний пісок. Для загальної оцінки по переважному заляганню на досліджуваній території було виділено два характерні райони: з лесовими суглинками (А) і з лесовими супісками (Б). Вони відносяться до І типу ґрунтових умов за просіданням.

Лесові супіски і суглинки характеризуються макропористістю, карбонатністю і пилуватістю. У вертикальному розрізі лесова товща потужністю 5…13 м неоднорідна. Спостерігається зміна кольору, гранулометричного складу, щільності, кількості включень гіпсу і карбонатів. За величиною ґрунти району А відносяться до слабо- та середньопросідаючих, а ґрунти району Б - до середньопросідаючих.

Виконані випробування вказали на значну мінливість відносного просідання із зростанням навантажень. При природному тиску значення sl для ґрунтів району Б змінюються в межах: для супісків - від 0,010 до 0,064, легких суглинків - від 0,008 до 0,056, середніх суглинків від 0,006 до 0,034. Для району А значення sl змінюються так: для супісків - від 0,009 до 0,058, легких суглинків - від 0,007 до 0,047, середніх суглинків- від 0,005 до 0,032.

Збільшення навантаження до 0,3 МПа призводить до значного збільшення sl, у порівнянні з його значеннями під дією власної ваги. Так, при навантаженні в 0,3 МПа значення sl зростають в середньому у 2,9 рази, у порівнянні з його значеннями під дією власної ваги. При випробуваннях під навантаженням 0,6 МПа приріст відносного просідання уповільнюється: значення sl зростають у середньому в 3,2 рази в порівнянні з його величиною під дією власної ваги і в 1,2 рази у порівнянні з випробуваннями під навантаженням у 0,3 МПа. Значення початкового тиску просідання для лесових ґрунтів дослідженого району змінюється від 0,07 до 0,20 МПа.

Оцінка взаємозв'язків між відносним просіданням sl і фізичними показниками лесових ґрунтів при р = 0,3 МПа показала, що найтісніший кореляційний зв'язок з просідаючими характеристиками лесових ґрунтів мають фізичні показники: коефіцієнт пористості , ступінь вологості , число пластичності . Ці показники є оптимальними інформативними при оцінці просідаючих властивостей лесових ґрунтів.

Третій розділ присвячений дослідженню особливостей процесу наростання деформації будівель і споруд. Проведено узагальнення досвіду будівництва на лесових просідаючих ґрунтах території м. Черкаси. Сформульовані висновки про доцільність пошуку надійних методів мінімізації нерівномірних деформацій будівель і споруд на стадіях вишукувань, проектування, будівництва та експлуатації.

Основною причиною деформації будівель і споруд на дослідній території є підвищення природної вологості просідаючої лесової основи. Збільшення вологості ґрунтів основ зазначених майданчиків відбувається в результаті підйому рівня ґрунтових вод; збільшення кількості атмосферних опадів, втрат вод з водонесучих інженерних мереж та виробничих вод з технологічних пристроїв, підпору водами Кременчуцького водосховища та ін.

Згідно з результатами проведених досліджень, зміна природної вологості ґрунтів протягом року залежить від режиму випадання атмосферних опадів і випаровування на даному майданчику.

Так, наприклад, розподіл природної вологи за профілем на дослідній ділянці № 5а має характерні для лесового неоднорідного розрізу особливості.

Встановлено, що вологість до глибини 7,5 м сезонно змінюється в межах 10...20%. Зміна середніх супісків легкими на глибині 2,5 м, обумовлює різкий спад вологості. Тенденція до зменшення вологи зберігається і на глибині 4,4…4,5 м, де супіски підстилаються шаром піску товщиною 1,5 м.

Глибше по розрізу (7,0…7,5 м) вологість завжди перевищує її показники на межі пластичності, досягаючи 23...25%. Загальна тенденція до збільшення вологи з глибиною пов'язана з наявністю зони капілярного підняття води вище рівня ґрунтових вод. Спільним для розглянутих дослідних ділянок є зменшення ролі гідролого-кліматичних чинників в залежності від глибини.

Наочними прикладами деформації будівель і споруд у результаті підвищення вологості лесової просідаючої основи на даній території є деформації будівель хімічної промисловості: комплексу цехів іонітів і монохлордиметилефіру (ширина розкриття тріщин у стінах до 42 мм); компресорного відділення (ширина розкриття тріщин до 58 мм); грануляційних башт (крен складає i=0,009, що на 80 % перевищує нормовану величину іи=0,005); одноповерхової цегляної складської будівлі цукрово-рафінадного заводу по вул. Добровольського, 1 (ширина розкриття тріщин у стінах до 75 мм); двоповерхової будівлі музичної школи № 1 по вул. Байди Вишневецького, 33 (ширина розкриття тріщин до 60 мм); двоповерхової будівлі школи № 17 по вул. Хрещатик, 216 (ширина розкриття тріщин на стінах до 40 мм); цегляної заводської труби цукрово-рафінадного заводу по вул. Береговій (різниця осідання фундаментів складає 162 мм); головної виробничої будівлі ЗАТ „Черкаське пиво” (ширина розкриття тріщин на стінах - до 45 мм).

Четвертий розділ присвячений висвітленню і узагальненню результатів натурних спостережень за деформаціями будівель і споруд хімічних підприємств на досліджуваній території в м. Черкаси.

Основна задача цих робіт полягає у встановленні причин, що призвели до порушення умов нормальної експлуатації будівель і споруд, і, відповідно до цього, у розробці рекомендацій по усуненню виявлених дефектів.

З метою з'ясування причин деформації будівель і споруд на території хімічних підприємств з 2001 року автором велися спостереження за розвитком цього процесу. По окремих об'єктах враховані дані попередніх спостережень.

Спостереження проводилися за шістьома найбільш деформованими будівлями і за трьома висотними баштами. Оскільки характер деформацій у більшості випадків однаковий, у дисертацію включені результати досліджень 3-х будівель і 2-х висотних башт. Результати спостережень за просіданням різних фундаментів цехів показали, що до просідання схильні зони, які включають як фундаменти, що несуть великі навантаження і мають заглиблення до 6...8 м, так і фундаменти неглибокого закладання (1,5…3,5 м), майже зовсім не завантажені.

Так, наприклад, у будівлі комплексу цехів іонітів і монохлордиметила- ефіру (дослідний майданчик № 1) за період експлуатації в стінах виникли деформації у вигляді двох діагональних тріщин з поступовим їх розкриттям зверху до: 27мм (1980 р.), 33 мм (1983 р.), 35 мм (1988 р.), 37 мм (2001 р.), 42 мм (2005 р.). Розмір будівлі в плані - 24 х 24 м, а висота - 30,6 м. Основою фундаментів будівель є пісок дрібний товщиною 1,2…1,4 м. Під піском залягає шар просідаючих лесових суглинків товщиною 3,8…4,2 м.

Значення показників фізико-механічних властивостей ґрунтів в основі цих будівель до будівництва і на період досліджень наведені в табл. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблиця 1 Зміни фізико-механічних властивостей ґрунтів під виробничою будівлею хімічного підприємства

Час досліджень	№ ІГЕ	Найменування, вид і стан ґрунтів	Природна вологість, w	Щільність, г/см3	Коефіцієнт пористості, e	Ступінь вологості, Sr	Вологість на межі текучості, wL	Вологість на межі пластичности, wp	Показник текучості, IL	Модуль деформації, Е, МПа	Питоме зчеплення, с, кПа	Кут внутрішнього тертя, ц, град
				ґрунту, с	сухого ґрунту, сd	частинок ґрунту, сs
До будівництва, 1973 рік	4	Супісок просідаючий	0,13	1,58	1,39	2,66	0,91	0,38	0,27	0,20	< 0	7	10	25
	5	Пісок дрібний	0,03	1,63	1,49	-	0,82	0,43	-	-	-	16	2	32
	7	Суглинок просідаючий напівтвердий	0,12	1,58	1,41	2,68	0,90	0,36	0,27	0,19	< 0	10	7	24
	7а	Супісок пластичний	0,19	1,72	1,44	2,69	0,86	0,63	0,23	0,18	0,4	12	10	23
На період досліджень, 2002 рік	5?	Пісок під фундаментами	0,20	1,99	1,66	-	0,49	1,0	-	-	-	40	5	37
	5	Пісок поза межами фундаменту	0,04	1,73	1,66	-	0,60	0,18	-	-	-	33	3	34
	7	Суглинок просідаючий тугопластичний			1,46	2,68	0,83		0,28	0,20			6	18
	7?	Суглинок м'якопластичний	0,25	1,82	1,46	2,68	0,83	0,80	0,27	0,19	0,75	5	5	18
	7б	Суглинок тугопластичний	0,22	1,99	1,65	2,68	0,64	0,93	0,27	0,19	0,38	7	6	21
	7а	Супісок пластичний	0,20	2,01	1,69	2,69	0,60	0,85	0,23	0,17	0,33	10	8	22

Примітка. У знаменнику - характеристики ґрунтів у зоні інтенсивного замочування під підошвою фундамента

За період експлуатації будівлі відбулися наступні зміни в основі: вологість лесових ґрунтів верхньої частини основи збільшилася з w = 0,12...0,13 до w = 0,24...0,31 (практично ґрунти виявилися водонасиченими = 0,8…1,0). У процесі ущільнення в часі коефіцієнт пористості суглинків зменшився на = 0,06…0,07 при тиску на підошві фундаменту р = 260…270 кПа.

У той же час значно знизилися значення показників міцності ґрунту: кута внутрішнього тертя з = 24...25 до = 18, а питомого зчеплення з c = 7…10 кПа до c = 5...6 кПа. Це стало причиною підвищення деформативності основи. При цьому модуль деформації зменшився з Е = 7…10 МПа до Е = 4…6 МПа. Таке зниження, не дивлячись на ущільнення ґрунтів, пов'язано з фактичною міцністю структурних зв'язків.

Додаткові випробування на просідання в компресійному приладі за методикою „двох кривих” на зразках, відібраних з глибини 1,9 м від підошви фундаменту, показали, що при діючих навантаженнях від будівлі просідаючі властивості не ліквідовані, а величина наближається до величини середнього тиску під підошвою фундаментів. При цьому за період експлуатації зріс з = 0,09 МПа (1973 р.) до = 0,14 МПа (2002 р.).

Проведені дослідження дозволили зробити наступні висновки:

– під виробничою будівлею формується техногенний водоносний горизонт, який викликає нерівномірну деформацію фундаментів у зв'язку з періодичним підтопленням просідаючих ґрунтів ІГЕ - 7;

– спостерігається загальний підйом рівня ґрунтових вод в умовах підтоплення, який призводить до водонасичення нижнього шару лесових суглинків ІГЕ -7?і викликає додаткові деформації нижніх шарів суглинків;

– процес деформації основи має незатухаючий характер, а на стінах будівлі продовжують розкриватися тріщини;

– змінився хімічний склад ґрунтової води, яка стала агресивною щодо бетонних конструкцій фундаментів.

П'ятий розділ присвячений дослідженням факторів, які впливають на величину просідання лесових ґрунтів (тривалість зволоження лесових ґрунтів під навантаженням, фільтрація хімічних розчинів).

На практиці компресійні випробування зразків ґрунтів на просідання проводять, як правило, протягом 2...3 діб. Це задовольняє вимоги норм по визначенню просідання, але, як показують спостереження за деформаціями будівель і споруд, наростання деформацій є тривалим багаторічним процесом. Це необхідно враховувати на стадії вишукувань та проектування будівель та споруд на лесових просідаючих ґрунтах.

З метою визначення впливу тривалості зволоження під навантаженням на деформацію ґрунту в компресійному приладі були проведені спеціальні лабораторні випробування. Методикою випробувань передбачалося завантаження 6-ти зразків лесового супіску постійним тиском р = 0,1; 0,2 і 0,3 МПа відповідно при природній вологості та у водонасиченому стані. Тривалість випробувань склала 75 діб.

Дані цих спостережень приведені на графіках залежності деформації ґрунту в часі S=f(t) на рис. 3.

Криву наростання просідання ґрунту в часі можна розділити на дві ділянки, які характеризуються стисненням і повзучістю грунтового скелету. Останнє при водонасиченні ґрунту в природному стані на практиці прийнято називати „постпросіданням”. Межа між цими зонами залежить від тиску і стану ґрунту і складає для зразків природної вологості: 3; 4; 7 діб; для зразків водонасиченого стану: 4,5; 6; 18 діб відповідно при тиску р = 0,1; 0,2 і 0,3 МПа.

Для співставлення результатів дослідження додатково були виконані випробування по схемі „двох кривих” з послідовним завантаженням зразків ступенями р = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 і 0,30 МПа.

Порівняння даних стандартного і довготривалого випробувань показало, що історія завантаження (вибір кількості і величини ступенів) впливає на оцінку деформаційних властивостей ґрунтів. Так, наприклад, деформації при тиску в 0,3 МПа були більшими для ґрунту природної вологості на 14% і для водонасиченого - на 16%, при довготривалому навантаженні (табл. 2).

Таблиця 2 Порівняння інтенсивності зростання деформацій зразка ґрунту в часі

Доба	Тиск, рі, МПа	Деформація зразка s, мм при випробуванні	Приріст деформації, Д s, %
		стандартному	довготривалому	при природній вологості	у водо-насиче-ному стані
		при природній вологості	у водо-насиче- ному стані	при природній вологості	у водо-насиче- ному стані
0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0	0
21	0,1	0,43	1,03	0,45	1,11	5	7
48	0,2	1,00	2,31	1,08	2,50	7	8
75	0,3	1,79	2,99	2,1	3,62	14	16

Крім того, за даними цих випробувань були визначені значення відносного просідання . Криві відносного просідання , за даними довготривалих і стандартних випробувань, наведені на рис. 5. Приріст деформації просідання при цьому склав: при 0,20 МПа - 24%; при 0,30 МПа - 23%.

Порівняння значення початкового тиску просідання за даними тривалих і стандартних випробувань показало, що з 0,09 МПа при довготривалих випробуваннях зменшився до 0,05 МПа (рис.5).

З метою визначення впливу промислових вод на просідання лесових ґрунтів основ у компресійному приладі були проведені спеціальні лабораторні випробування. Для цього використовувалися зразки лесових суглинків, відібраних з майданчиків хімічного підприємства (дослідний майданчик № 1) з глибини 3,8…4,0 м від поверхні.

Показники характеристик фізичних властивостей ґрунту в умовах природного залягання складають: w = 0,14; wр = 0,23; wL = 0,31; IL < 0; с = 1,57 г/см3; сd = 1,38 г/см3; сs = 2,68 г/см3;
e = 0,94; n = 48,4%; Sr = 0,39. За гранулометричним складом переважають пилуваті частинки 49,5%. Частинки піску складають 40,0%, а глини - 10,5%.

Методика випробувань передбачала насичення зразків ґрунту, крім води, слабкими 5%-ими розчинами оцтової кислоти (СН3СООН), їдкого натрію (NaOH), 2%-ими розчинами хлористого натрію (NaCl) і сульфату магнію (MgSO4). Ці хімічні розчини і є продуктами виробництва даного хімічного підприємства.

Дані цих випробувань наведені на графіках залежності відносного просідання від тиску еsl = p(f) (рис. 6).

Ці випробування показали, що інтенсивність зростання деформації зразка ґрунту при використанні кожного розчину відбувається по-різному. Якщо дія води веде до руйнування глинистих коагуляційних зв'язків, то кожний розчин, залежно від складу і концентрації, більшою або меншою мірою сприяє послабленню і ліквідації певних структурних зв'язків.

Дослідження показує, що дія слабкого розчину оцтової кислоти (СН3СООН) призводить до помітного додаткового приросту просідаючої деформації. При цьому значення відносного просідання збільшилося в середньому до 35%. Це пов'язано з руйнуванням більш водостійких структурних зв'язків, утворених карбонатними солями, що характерно для верхніх частин лесових суглинків цього району. Крім того, значення початкового тиску просідання зменшилося з psl = 65 кПа при насиченні водою до psl = 50 кПа при насиченні зразка ґрунту оцтовою кислотою (табл. 3). У процентному відношенні зменшення значення psl складає 23%.

Таблиця 3 Результати випробування лесового суглинку при його зволоженні різними розчинами

Показники просідання	Значення показників при дії розчинів на зразок ґрунту
	Н2О	5%-ний СН3СООН	5%-ний NaOH	2%-ний NaCl	2%-ний MgSO4
еsl, при тиску	0,1 МПа	0,022	0,034	0,030	0,024	0,023
	0,2 МПа	0,046	0,068	0,061	0,050	0,049
	0,3 МПа	0,052	0,076	0,066	0,056	0,054
рsl, кПа	65	50	60	62	63

Аналіз одержаних даних показує, що збільшення значень еsl (до 26%) і зменшення psl (до 8%) відбувається також при насиченні зразка ґрунту їдким натром (NaOH).

Крім того, для визначення впливу концентрації кислот на просідаючі властивості лесових ґрунтів були проведені компресійні випробування зразків лесового супіску з насиченням водою, 5 % - ною і 20 % - ною оцтовою кислотою.

Дані цих випробувань наведені на графіках залежності відносного просідання від тиску (рис. 7).

Порівняння одержаних даних показало, що збільшення конценирації кислот призводить до зростання відносного просідання в середньому на 39 %.

При цьому значення початкового тиску просідання зменшилося на 25 % у порівнянні зі значенням при насиченні зразка ґрунту водою.

Було встановлено, що тривале насичення лесових ґрунтів основ хімічними розчинами на ділянках хімічних підприємств веде до додаткового просідання, що потрібно враховувати при проектуванні об'єктів хімічного виробництва.

Зважаючи на це, на майданчиках хімічних підприємств, складених лесовими ґрунтами, більш правильним є введення поправочного коефіцієнта до величини відносного просідання , одержаної за стандартною методикою. Загальну умову для розрахунку основ по деформаціях у цьому випадку необхідно записувати як:

, (1)

де - коефіцієнт умов роботи, що враховує ймовірність одночасного поєднання найнесприятливіших умов - тривалості зволоження і фільтрації лесових ґрунтів хімічними розчинами, який приймається рівним:

, (2)

де - коефіцієнт, що враховує дію хімічних розчинів на просідання ґрунту ( = 1,05...1,39);

- коефіцієнт, що враховує тривалість зволоження під навантаженням, ( = 1,15…1,24).

Формула для розрахунку просідання ґрунтів основ з урахуванням чинників тривалості зволоження і фільтрації лесових ґрунтів хімічними розчинами має вигляд (3):

, (3)

де - усереднений коефіцієнт, який пропонується використовувати для попередньої оцінки просідання ґрунтів основ на майданчиках хімічних підприємств, = 1,38.

З урахуванням одержаних результатів розроблені практичні рекомендації щодо випробування ґрунтів на просідання і розрахунку лесових основ на території хімічних підприємств. Результати роботи впроваджені ЗАТ БМФ „Житлобуд 1”, ЗАТ „Черкаське пиво”, ВАТ „Азот” при проведенні інженерно-геологічних вишукувань та розробці проектної документації для реконструкції виробничих будівель по вул. Благовісна, 436 (головний корпус) і вул. Першотравнева, 72 (будівля монохлордіметилефіра).

Висновки

1. Встановлено, що значення початкового тиску просідання для лесових просідаючих ґрунтів змінюється в межах = 0,07…0,20 МПа. Порівняння величин початкового тиску просідання , одержаних при випробуваннях ґрунтів у компресійних приладах та при випробуванні штампами, показало, що польові випробування дають значення на 10…15 % більше в порівнянні з лабораторними випробуваннями.

2. Виявлено, що найбільш тісний кореляційний зв'язок з характеристиками просідання лесових ґрунтів (,) мають фізичні показники: коефіцієнт пористості , ступінь вологості , число пластичності . Ці показники є достатніми для попередньої оцінки просідання лесових ґрунтів.

3. Показано зміну в часі значень характеристик просідаючих лесових ґрунтів під підошвою фундаментів неглибокого закладання, що знаходяться довгий час під навантаженням. Встановлено, що за рахунок ущільнення лесової основи за час експлуатації будівель і споруд величина знижується на 28 %, а значення зростає на 21 % і більше, у порівнянні з даними, одержаними до початку будівництва.

4. Встановлено, що приріст деформації при завантаженні зразків лесового суглинку в компресійних приладах протягом 75 діб складає 5…16 %, у порівнянні зі значеннями, одержаними при випробуваннях за стандартною методикою.

5. Встановлено характер впливу на просідаючі властивості лесових ґрунтів особливих виробничих хімічних розчинів, що потрапляють в основу. При насиченні зразків лесових ґрунтів у компресійних приладах 5 % - им розчином оцтової кислоти, 5 % - им розчином їдкого натрію, 2 % - им розчином хлористого натрію; 2 % - им розчином сульфату магнію додаткове збільшення відносного просідання досягає 35 % у порівнянні із замочуванням водою. При цьому початковий тиск просідання зменшується на 23%. Крім цього встановлено, що збільшення концентрації хімічних речовин у воді призводить до додаткового зростання деформацій просідання. Так, при насиченні 20 % - им розчином оцтової кислоти значення відносного просідання зростають на 39 %, а зниження початкового тиску просідання складає 25 % в порівнянні з зволоженням водою.

6. Показано, що визначення відносного просідання і, як наслідок, розрахункових значень просідання у компресійних приладах за стандартною методикою, призводить до заниження значень у порівнянні з фактичними спостереженнями для реальних майданчиків. Тому при розрахунку величини просідання на території хімічних підприємств запропоновано вводити коригуючий коефіцієнт , який одночасно враховує дію хімічних розчинів і тривалих навантажень. За результатами досліджень одержано усереднене значення коригуючого коефіцієнта = 1,38.

7. Встановлено, що причинами деформацій будівель і споруд на території промислової забудови є понаднормативне нерівномірне просідання ґрунтів основи, що виникає в результаті підтоплення просідаючої лесової основи за рахунок витоку агресивних промислових вод.

8. Результати досліджень впроваджені в ЗАТ БМФ „Житлобуд 1”, ЗАТ „Черкаське пиво” і ВАТ „Азот” на майданчиках в м. Черкаси при проведенні інженерно-геологічних вишукувань і розробці проектної документації для будівництва і реконструкції виробничих будівель. У результаті застосування запропонованих рекомендацій і використання регіональних таблиць для визначення просідаючих властивостей ґрунтів було досягнуто економічний ефект на суму 10532,70 грн.

Список опублікованих робіт по темі дисертації

Основні результати досліджень викладені у статтях:

1. Степаненко Г.П., Демессіє Мекуріа Келкай. Про зміни стану лесових ґрунтів і їх деформації під виробничим корпусом ВАТ „Азот” в м. Черкаси // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: КНУБА, 2002. - Вип. 27. - С. 132-138.

2. Корнієнко М.В., Демессіє Мекуріа Келкай. Про характер просідання невеликих за розмірами в плані промислових будівель при піднятті рівня ґрунтових вод у лесових грунтах // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: КНУБА, 2002. - Вип. 27. - С. 161-166.

3. Демессие М.К., Корниенко Н.В. Поведение производственных высотных башен в условиях подтапливания лессовой территории // Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: НДІБК, 2003. - Вип. 58. - С. 339-344.

4. Корнієнко М.В., Демессіє Мекуріа Келкай. Про довготривалі випробування лесових грунтів на просідання в компресійних приладах // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: КНУБА, 2004. - Вип. 28. - С. 25-31.

5. Корниенко Н.В., Демессие Мекуриа Келкай. Подтопление промышленной площадки на лессовых грунтах // Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: НДІБК, 2004. - Вип.61. Том 2. - С. 338-342.

6. Корнієнко М.В., Демессіє Мекуріа Келкай. Зміна характеристик просадочності лесових грунтів при насиченні рідинами різного складу // Основи і фундаменти: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: КНУБА, 2005. - Вип. 29. - С. 52 - 59.

7. Демессие Мекуриа Келкай. Оценка характеристик просадочности лессовых грунтов территории Черкасс // Вісник: Науково-технічний журнал. - Черкассы: ЧДТУ, 2003. - Вип. 3. - С. 60-64.

8. Демессие Мекуриа Келкай. Об изменении физико-механических свойств лессовых просадочных грунтов оснований промышленных зданий за время их эксплуатации // Вісник: Науково-технічний журнал. - Черкассы: ЧДТУ, 2004. - Вип. 2. - С. 5-11.

Анотація

Демессіє Мекуріа Келкай. Зміна фізико-механічних властивостей лесових просідаючих ґрунтів у зоні промислової забудови (на прикладі Черкаського ВАТ „Азот”). - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - Основи і фундаменти. - Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2006.

При лабораторних випробуваннях зразків лесового ґрунту з насиченням
5...20 % - ими кислими розчинами було встановлено, що дія слабкого розчину кислоти веде до збільшення просідаючої деформації. При цьому значення відносного просідання зростають на 35…39 %, а значення початкового тиску просідання зменшилося на 23…25 %.

Запропоновано вводити коригуючий коефіцієнт = 1,38 при оцінці величин просідання лесових просідаючих основ виробничих будівель, де втрат хімічних розчинів (кислот, лугів) не уникнути.

Розроблені практичні рекомендації щодо випробування ґрунтів на просідання та розрахунку лесових основ на території хімічних підприємств.

Ключові слова: лесові ґрунти, фізико-механічні властивості, просідання, відносне просідання, початковий тиск просідання.

Аннотация

Демессие Мекуриа Келкай. Изменение физико-механических свойств лессовых просадочных грунтов в зоне промышленной застройки (на примере Черкасского АО „Азот”). - Рукопис.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты. Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2006.

В настоящее время, в связи с резким увеличением объемов реконструкции действующих и усилением деформированных зданий и сооружений, возникает необходимость детального изучения изменения характеристик просадочности лессовых оснований за время их эксплуатации. Особенно это относится к предприятиям химической промышленности.

В связи с этим проведен комплекс лабораторных испытаний и натурных наблюдений за поведением зданий, возведенных на лессовых грунтах территории г. Черкассы.

Лабораторные испытания образцов на 6-ти опытных площадках г. Черкассы позволили установить ряд факторов, влияющих на величину просадки лессовых грунтов, а именно: длительность подтапливания лессовых грунтов под нагрузкой и фильтрация их химическими растворами.

При лабораторных испытаниях образцов лессового грунта с насыщением 5…20 % - ыми растворами кислоты было установлено, что действие слабого раствора кислоты ведет к увеличению просадочной деформации. При этом значения относительной просадочности возрастают на 35…39 %, а значение начального просадочного давления уменьшается на 23…25 %.

Поэтому следует учитывать то, что длительная фильтрация грунтов лессовых оснований химическими растворами (кислот, щелочей) на участках химических предприятий ведет к изменению показателей просадочности.

Предложено вводить корректирующий коэффициент = 1,38 при оценке величин просадки лессовых просадочных оснований производственных зданий, где утечки химических растворов (кислот, щелочей) не избежать.

Сравнение значений начального просадочного давления, по данным длительных и стандартных испытаний, показало, что при длительных испытаниях уменьшилось на 23…44 %.

На основе сравнения характеристик грунтов на опытных площадках до строительства зданий и настоящих исследований было установлено, что за время эксплуатации зданий и сооружений существенно изменились показатели физическо-механических и просадочных свойств лессовых оснований.

Например, за 29 лет эксплуатации производственного здания на территории химического предприятия в г. Черкассы в основании произошли следующие изменения: влажность лессовых грунтов основания увеличилась с w = 0,12…0,13 до w=0,24…0,31 (практически грунты оказались водонасыщенными =0,8…1,0); коэффициент пористости уменьшился на = 0,06…0,07 при давлении на подошве фундамента р = 260…270 кПа. Значительно снизились показатели прочности и деформативности: угол внутреннего трения с = 24…25°до = 18°; удельное сцепление с с = 7…10 кПа до с = 5…6 кПа; модуль деформации с Е = 7…10 МПа до Е = 4…6 МПа.

В то же время значение начального просадочного давления за период эксплуатации возрос с = 0,09 МПа до = 0,14 МПа.

Разработаны практические рекомендации по испытанию грунтов на просадочность и расчету лессовых оснований на территории химических предприятий. Результаты исследований внедрены ЗАО СМФ „Житлобуд 1”, ЗАО „Черкасское пиво”, ОАО „Азот” в г. Черкассы.

Ключевые слова: лессовые грунты, физико-механические свойства, просадка, относительная просадочность, начальное просадочное давление.

Annotation

Demessie Mekuria Kelkay. The change of physical and mechanical properties of collapsible loessial soils in the zone of industrial building (on the example of Cherkassy joint-stock company ,,Azot”). - Manuscript.

The thesis for a competition of academic degree of the candidate of technical

(engineering) sciences in speciality 05.23.02 - Bases and foundations. - Kyiv National University of Civil Engineering and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2006.

At the laboratory tests of samples of loessial soils with the saturation of 5…20 % acidic solutions it was fixed that, the action of weak solution of acid lead to the noticeable increase of collapsible deformation. Thus the values of relative collapsibility increase up to 35…39 % and, the value of initial pressure for collapse decreased on 23…25 %.

Because of it by an author it is suggested to introduce a correction coefficient at collapsible loessial bases of production buildings on the areas of chemical enterprises, where not to avoid the loss of chemical solutions (acids, alkalis).

Practical recommendations on the tests of soils for settlement and calculation in loessial bases on the territory of chemical interprise are elaborated.

Keywords: loessial soils, physical and mechanical properties, settlement, relative collapsibility, initial pressure for collapse.

Размещено на Allbest.ru