CC BY
161
86
Техника и технологии
^ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 378:0015
С. И. Алексеев, Д. Н. Понедельников, И. В. Копылов, Г. R Курбанов
Петербургский государственный университет путей сообщения
ЭЛЕКТРООСМОС КАК СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ
При строительстве сооружений в глубоких котлованах грунт необходимо закреплять, чтобы он не выдавил ограждение и не произошло выпора грунта, а следовательно, не произошла его просадка.
При условии строительства в суглинках и глинах, имеющих большую водоудерживающую способность и незначительный коэффициент фильтрации, закрепление целесообразно производить электрохимическим методом.
В рамках данной работы были выполнены компьютерное моделирование и лабораторные испытания, которые показали достоинства этого метода.
анизотропия, агломерат, шпунт, противофильтрационная защита, электроосмос, анод, катод.
Введение
В последнее время электрохимическое закрепление грунтов не находит большого применения в области строительства сооружений. Причины этого - малая изученность метода, в том числе отсутствие полного представления о сущности происходящих процессов и влиянии различных факторов на эффект закрепления грунтового основания. Однако данный метод закрепления имеет свою область применения, в рамках которой он является наиболее рациональным способом закрепления грунтового основания. В данной работе планируется показать область применения метода электрохимического закрепления для решения инженерно-строительных задач путем обоснования различных параметров закрепления в ходе экспериментально-лабораторных испытаний, в том числе математического моделирования реальных инженерно-строительных задач.
1 Геотехническая область проблемы
Последние годы в центре Санкт-Петербурга активно ведутся строительство и реконструкция зданий, к уже существующим зданиям пристраиваются новые - «встройки», для которых часто предусматривается строительство подземных гаражей. Однако физико-механические, в частности деформационные, свойства слабых глинистых грунтов, расположенных в пределах селитебной территории Санкт-Петербурга, зачастую не могут рассматриваться в качестве надежного основания. Их мощность может доходить до полутора десятков метров. При строительстве новых зданий и сооружений эти грунты неизбежно вовлекаются в зону техногенного воздействия. Они характеризуются наличием слоистости, повышенной деформативно-стью, анизотропией свойств и фракционно изменяются от глин до супесей. В среднем по гранулометрическому составу они содержат: глинистых фракций - 17-53 %, пы-
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
87
леватых - 36-67 %, песчаных - 8-16 %, естественная влажность грунтов изменяется от 20 до 35 % [2].
Характерными грунтами, которые могут рассматриваться как слабые основания, в Санкт-Петербурге являются: переувлажненные средней и слабой плотности, мелкозернистые (или пылеватые) пески и пылеватые супеси с выраженными плывунными свойствами, с содержанием органических примесей, пылеватые переувлажненные и влажные суглинки и глины слабой и средней плотности (иногда ленточного сложения). Коэффициент фильтрации этих грунтов, как правило, ниже 2,0 м/сут.
Стабилизировать грунты в условиях нового строительства существенно проще, чем при реконструкции, это может быть осуществлено различным образом. Один из них предусматривает создание системы «грунт -вяжущее» путем использования природного грунта в качестве наполнителя и сырья при обезвоживании, инъектировании и уплотнении массива грунта, другой - коренное видоизменение исходного грунта. Так, С. В. Во-ронкевич [2] для нужд технической мелиорации грунтов разработал классификацию методов их искусственного улучшения, которая, в зависимости от исходных природных свойств грунтов, предусматривает мероприятия по их изменению. Использование методов искусственного улучшения зависит от свойств грунтов и вида реконструкционных работ в условиях плотной городской застройки. На успешность их применения существенно влияют такие свойства грунтов площадки, как проницаемость, пористость, гранулометрический состав, обводненность, активность породообразующих минералов.
Одним из хорошо известных способов улучшения строительных свойств грунтов является их осушение. Однако если этот способ эффективен для песчаных и даже супесчаных грунтов, то он не дает положительных результатов при суглинистых, глинистых, а также илистых грунтах, которые, вследствие своей большой водоудерживающей способности, не поддаются естественному осушению. Большинство же слабых глинистых
грунтов имеет незначительный коэффициент фильтрации. Таким образом, улучшение свойств влажных глинистых грунтов за счет осушения и инъектирования растворов невозможно; необходимы другие способы их упрочнения.
Одним из способов закрепления данных грунтов является обработка грунта постоянным электрическим током, при действии которого происходит электроосмотическое осушение грунта, а инъекционные растворы проникают в него в ионном виде. В результате такой электрохимической обработки слабые глинистые грунты становятся более прочными и водостойкими, а морозное выпучивание их значительно снижается [4].
Достоинствами способа электрохимического закрепления грунтов являются малая трудоемкость, высокая степень механизации и электрификации работ, возможность улучшения свойств грунта без его переработки, проведение работ во время эксплуатации сооружений.
Таким образом, исследование электрохимического способа закрепления грунта является актуальной геотехнической задачей.
2 Область инженерно-строительных
решений. Эффект электроосмоса
При строительстве сооружений в глубоких котлованах стенки этих котлованов для создания устойчивости обычно закрепляются шпунтовым ограждением. При послойной откопке котлована давление на стенки ограждения будет увеличиваться со стороны неразрабатываемого грунтового массива. Вследствие этого возможно нарушение устойчивости грунтового массива, что может привести к развитию осадочных явлений окружающего грунта и сооружений, расположенных на нём.
Необходимо, следовательно, закрепить грунт в основании котлована, что позволит уменьшить как горизонтальные смещения шпунтового ограждения при откопке котлована, так и вертикальные деформации (осадки) окружающего грунта.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
88
Техника и технологии
При проведении подобных работ в суглинках и глинах, имеющих большую водоудерживающую способность и незначительный коэффициент фильтрации, закрепление основания наиболее целесообразно производить электрохимическим методом.
Для определения эффективности предложенного способа при решении инженерно-геотехнической задачи, связанной с откопкой глубоких котлованов (6.. .10 м) было выполнено математическое моделирование реальной инженерной задачи в программном комплексе Fem models.
3 Постановка задачи
Тоннельный коллектор наружным диаметром 1,5 м, выполненный бестраншейным способом проходческим комплексом фирмы «Херренкнехт» на глубине 6 м, был предназначен для переключения стоков канализации, сбрасываемых в р. Карповку, на Северную станцию аэрации Санкт-Петербурга.
Строительство коллектора проходило в условиях тесной городской застройки, вблизи зданий. Для обеспечения сохранности исторических зданий при устройстве рабочих камер коллектора использовали короткое (9 м) шпунтовое ограждение, которое после производства работ оставалось в грунтовом массиве. Устройство подобных камер производилось в слабых водонасыщенных грунтах, типичный характер напластования которых может быть представлен следующим образом:
1 - с поверхности до глубины 3 м залегают насыпные грунты техногенного происхождения (ИГЭ № 3);
2 - ниже, мощностью до 2.3 м, грунты представлены пылеватой супесью в мягкопластичном состоянии (ИГЭ № 4);
3 - следующий слой - суглинок пылеватый, ленточный, текучей и текучепластичной консистенции, мощностью от 6 до 7,5 м (ИГЭ № 5);
4 - ниже, мощностью до 4.5 м, пылеватая супесь в мягкопластичном состоянии с гнездами песка, гравия и гальки, на глуби-
не 15.16 м и ниже - тугопластичная (ИГЭ № 5а).
По проекту производства работ предполагалось расположить низ шпунтин в третьем слое грунта. В ходе расчетов было установлено, что при уровне подземных вод на глубине 2 м от поверхности этот слой не будет надежным основанием, в том числе и по фильтрационным свойствам. В целях создания надежной противофильтрационной защиты (ПФЗ), предотвращения возможного выпора грунта и осадки основания под окружающей застройкой по днищу возводимого котлована на глубине 6 м от поверхности было предложено применить технологию электросиликатизации.
Воздействию электросиликатизации подвергался слой пылеватого ленточного суглинка. Технология производства работ по улучшению свойств данного грунта осуществлялась в такой последовательности (рис. 1):
1) предварительно в шпунтовом ограждении откапывался трехметровый котлован;
2) с уровня дна данного котлована производилось погружение перфорированных труб-электродов;
3) электроды подключались к источнику постоянного тока со средним напряжением 70-80 В;
4) грунт обрабатывался переменным током (200-300 А) со сменой полярности;
5) откачивалась свободная поступающая вода из катодов;
6) выполнялась последовательная инъекция в аноды растворов силиката натрия и хлористого кальция;
7) перфорированные труб-электроды извлекались и производилось тампонирование скважин.
4 Математическое моделирование инженерно-строительной (геотехнической)задачи
Результат электрохимического закрепления грунта - улучшение его физико-механических свойств, которое зависит, в первую очередь, от времени прохождения тока. Рас-
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
89
смотрим в первом приближении результат электрохимического закрепления в виде улучшения физико-механических характеристик грунтового основания на 10 % и выполним математическое моделирование геотехнической задачи (рис. 1) для улучшенных и исходных значений грунтовых условий.
Математическое моделирование данной задачи было произведено с расчётными характеристиками грунта, указанными в табл. 1.
5 Лабораторные исследования
В результате лабораторных испытаний по закреплению грунта с помощью эффекта электроосмоса было выявлено улучшение механических характеристик грунта. Лабораторные испытания проводились с кембрийской глиной. Результаты пробных испытаний по закреплению глинистого грунта с помощью электроосмоса приведены в табл. 2.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема производства работ по закреплению суглинка - грунтового днища сооружаемого котлована в шпунтовом ограждении, при высоком уровне грунтовых вод
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
90
Техника и технологии
ТАБЛИЦА 1. Расчётные характеристики грунта
№ ИГЭ Величина среднего сопротивления по конусу зонда, кПа Удельное сцепление, вычисленное, КПа Удельное сцепление по данным трехосных испытаний, кПа
ИГЭ 3 950 50 30
ИГЭ 4 2300 120 50
ИГЭ 5 3750 200 125
ИГЭ 5а 9000 450 220
Результаты моделирования без закрепления грунта показаны на рис. 2-5.
Рис. 2. Схема грунтового массива со шпунтовым ограждением без приложения усилий
Рис. 3. Эпюра перемещения шпунтового ограждения
Рис. 4. Эпюра моментов в шпунтовом ограждении
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
91
Рис. 5. Величина просадки окружающего грунтового массива
Результаты моделирования с учетом закрепления грунта (улучшения физико-механических свойств) на 10 % показаны на рис. 6, 7, 8.
Рис. 6. Эпюра моментов
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
92
Техника и технологии
Рис. 8. Эпюра перемещения шпунтового ограждения
ТАБЛИЦА 2. Результаты пробных испытаний по закреплению глинистого грунта с помощью эффекта электроосмоса
Наиме -нование грунта Способ испытания грунта Механические свойства грунта Параметры закрепления
Угол внутреннего трения Сцепление Сила тока Напряже- ние
Глина Без тока 22 0,5 0 0
м С пропусканием постоянного тока 25 1,1 70 30-110
м С пропусканием постоянного тока и с насыщением водным раствором NaCl 28 1,3 70 35-120
В результате закрепления указанные характеристики грунта улучшились на 12-18 %.
Заключение
1. Результаты математического моделирования свидетельствуют о принципиальной возможности использования электрохимического закрепления грунта для решения инженерно-геотехнических задач, связанных с откопкой котлованов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах.
2. Анализ результатов решения представленной задачи по итогам математического моделирования показал, что закрепление грунта в основании котлована с улучше-
нием физико-механических характеристик грунтового основания только на 10 % (вследствие электрохимического закрепления) позволяет:
2.1. Добиться уменьшения смещения шпунтового ограждения внутрь котлована, а также уменьшения осадки окружающего грунтового массива примерно на 7.. .10 %, что имеет важное значение при выполнении геотехнических работ в условиях плотной городской застройки.
2.2. Получить перераспределение эпюры моментов в шпунтовом ограждении с выравниванием ординат на участке откапываемого котлована и на участке в закреплённом грунте, что позволяет наиболее экономично использовать запроектируемую конструкцию.
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
93
3. Лабораторные испытания показывают возможность улучшения физико-механических характеристик и возможность регулирования показателей улучшения с помощью изменения времени пропускания тока и количества потраченной электрической энергии на удельный показатель грунта.
4. Для уточнения параметров закрепления, а также определения оптимальной методики улучшения свойств грунта планируется ряд дальнейших лабораторных исследований по закреплению глинистого грунта с помощью эффекта электроосмоса и химических добавок (хлористого кальция и хлористого натрия), с испытанием образцов грунта в приборах трехосного сжатия.
Библиографический список
1. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. - Введ. 1985-01-01. - М., 1983. - 83 с.
2. Закрепление слабых грунтов в условиях Ленинграда / Г. Н. Жинкин, В. Ф. Калганов. -СПб. : Изд-во литературы по строительству, 1966. - 192 с.
3. Глубинное закрепление глинистых грунтов / С. В. Богов. - Ярославль, 1992. - 86 с.
4. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве / Г. Н. Жинкин. - СПб. : Изд-во литературы по строительству, 1969. - 107 с.
5. Электрохимическое закрепление грунтов / Б. А. Ржаницын // Гидрология и инженерная геология. - М. : Стройиздат, 1940. - 183 с.
УДК 629.4.083: 629.42.083
А. В. Грищенко, В. В. Грачев, В. А. Кручек, М. А. Шрайбер
Петербургский государственный университет путей сообщения
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ЛОКОМОТИВОВ
Существующая система планово-предупредительного ремонта тягового подвижного состава стандартизирована в области проектирования эксплуатации локомотивов. Однако расходы на содержание тягового подвижного состава по мере его старения при данной системе постепенно увеличиваются. Экономическая необходимость диктует поиск путей снижения затрат на содержание локомотивов в технически исправном состоянии.
Предлагается поэтапный переход к системе обслуживания локомотивов по фактическому техническому состоянию. Он позволяет сократить затраты труда и материалов на ТО и ТР за счет устранения дефектов каждого контролируемого узла, предотвратить рост затрат при ускоренном старении парка локомотивов, снизить уровень повреждаемости диагностируемых узлов тягового подвижного состава и повысить экономичность эксплуатации локомотивов.
системы ремонта локомотивов, обслуживание локомотивов по фактическому техническому состоянию, контролепригодность.
Введение
На протяжении многих десятилетий в локомотивном хозяйстве железнодорожного транспорта России и других стран исполь-
зуется и совершенствуется система планово-предупредительного ремонта (ППР) тягового подвижного состава (ТПС), предусматривающая выполнение ремонта с нормативной периодичностью и регламен-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
