CC BY
445
76
Проблематика транспортных систем
УДК 624.131 С. С. Колмогорова
ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК БУТОВОЙ КЛАДКИ ФУНДАМЕНТА
Исследованы свойства составляющих тело бутового фундамента (известняка и известкового раствора) под воздействием агрессивной воды.
бутовые фундаменты, модель бутовой кладки, агрессивная вода, известковый раствор, плитчатый известняк, прочность.
Введение
До середины Х!Х века фундаменты построек выполнялись в основном из местных каменных материалов. В Санкт-Петербурге основным материалом фундаментов старых зданий являлся рваный плитчатый известняк - фундаменты такого типа встречаются примерно в 90% случаев. Кладку плитчатого камня выполняли на известковом, цементно-известковом, цементном, цементно-песчаном растворах.
Вопрос долговечности и интенсивности износа бутовых фундаментов старинных зданий изучен недостаточно. За длительный период эксплуатации при определенных инженерно-геологических условиях под воздействием деструктивных процессов, связанных с фильтрацией подземных вод, выщелачиванием карбонатного материала, сезонными криогенными явлениями и другими процессами, в бутовой кладке фундаментов происходит разрушение кладочного известково-песчаного раствора. Бутовая кладка фундаментов постепенно утрачивает структурную целостность и ухудшает свои физико-механические свойства, что сопровождается ее сжатием и проявлением внутренних напряжений, приводящих к развитию собственных деформаций бутовых фундаментов. В результате фундаменты старинных зданий получают недопустимый износ, что может приводить к обрушению сооружения в целом или его отдельных частей.
Вопрос увеличения долговечности фундаментов старинных построек приобрел в настоящее время значительную актуальность в связи со сложностью их сохранения, т. к. их разрушение обусловлено как старением, так и воздействием природно-техногенных факторов.
Наиболее существенным техногенным элементом геологической среды, воздействующим на бутовые фундаменты старинных построек, являются грунтовые воды, весьма чувствительные к изменениям природнотехнической ситуации. Вода является основным фактором агрессивного воздействия среды на бутовую кладку. Именно при ее активном воздействии протекают разрушающие процессы - при увлажнении и высушивании.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
77
Влага, попадая в микротрещины, вызывает расклинивающее давление пленок, которое при цикличном (многолетнем) увлажнении и высушивании ведет к медленному, но неотвратимому снижению прочности материала бутовой кладки.
В кладке бутового фундамента, расположенного выше уровня грунтовых вод, происходит смачивание материала агрессивными поровыми растворами в процессе диффузии и капиллярного влагопереноса. Это приводит к замачиванию фундаментов и последующей их сезонной подсушке. Процесс носит циклический характер. Эта зона подвержена хозяйственной деятельности. Здесь ведутся земляные работы, укладка и ремонт коммуникаций и т. д.
Кладка фундаментов ниже уровня грунтовых вод непосредственно взаимодействует с подземными водами, которые являются наиболее подвижной составляющей геологической среды. Их режим в значительной степени определяет опасные инженерно-геологические процессы, возникающие в грунтах основания: деформации грунтов оснований, суффозия и гидростатическое взвешивание грунтов, гидростатическое давление грунтовых вод.
Указанные процессы ухудшают сохранность бутовой кладки. В кладке вследствие выщелачивания растворов образуются крупные трещины. Потоки подземных вод насыщают фундаменты, отрывают частицы материала, усиливают растворение. Такое воздействие на фундаменты может привести к драматическим последствиям.
1 Экспериментальные исследования
Настоящие исследования посвящены изучению изменений прочностных деформационных свойств составляющих тело бутового фундамента (известняка и известкового раствора) под воздействием переменного УГВ.
Исследования проводились на модели бутовой кладки размером 10x10x22 см, состоящей из пяти образцов известняка размером 10x10x4 см и четырех прослоек известково-песчаного раствора толщиной по 5 мм при периодическом увлажнении агрессивной водой и высушивании.
В модели применялся плитчатый известняк, первоначальная прочность которого на одноосное сжатие составляла в среднем 36 МПа. Состав известково-песчаного раствор 1 : 3 (известь, песок) приближен к раствору использовавшемуся в бутовых фундаментах старинных построек (при разборке зданий по ул. Марата № 73 в Санкт-Петербурге были отобраны образцы раствора и определен его состав).
Для ускорения процесса схватывания раствора добавлялось 5% цемента от общей массы раствора (200 г на 4 кг раствора). При приготовлении раствора использовался однородный песок средней крупности (размер фракции 0,5-0,25 мм), гашеная известь и дистиллированная вода. Бутовая
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
78 Проблематика транспортных систем
кладка выдерживалась без нагрузки до набора 70% прочности раствора 28 дней (рис. 1).
Рис. 1. Набор прочности известкового раствора
Экспериментальная установка испытания модели бутовой кладки показана на рисунке 2. К модели бутовой кладки была приложена постоянно действующая нагрузка 2 кг/см (200 кг), что соответствует давлению от пятиэтажного дома. Нагрузка передавалась через систему рычагов наверх бутовой кладки через штамп (размер штампа 10x10 см). Емкость, в которую помещена модель бутовой кладки, периодически заполнялась агрессивной водой до высоты 15,5 см, что соответствует погружению кладки на 2/3 ее высоты. В качестве агрессивной воды использовался раствор соляной кислоты 0,027N (рН 5-4). Бутовая кладка выдерживалась в агрессивной воде сутки, затем вода сливалась и кладка высушивалась в течение суток. Далее процесс повторялся. При этом измерялись продольные деформации бутовой кладки двумя индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.
С целью анализа изменения характеристик материалов бутовой кладки в процессе переменного увлажнения агрессивной водой и высушивания были дополнительно изготовлены образцы раствора (40x40x40 мм) и известняка (40x40x40 мм). Эти образцы также периодически увлажнялись агрессивной водой и высушивались.
Было проведено 100 циклов увлажнения агрессивной водой и высушивания, при этом выявлено интенсивное изменение прочности раствора (до 30%), в меньшей степени - изменение прочности известняка (до 5%).
Прочность раствора в среднем уменьшалась с 0,40 МПа до 0,28 МПа в результате выщелачивания связующего материала - извести. Это наглядно видно на кубиках раствора (рис. 4); с увеличением циклов увлажнения-высушивания на наружной поверхности кубиков раствора проявлялся песок.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
79
Рис. 2. Экспериментальная установка
Прочность известняка в среднем уменьшалась с 36 до 34 МПа. За период 100 циклов в процессе выщелачивания материала кубики известняка потеряли вес и поперечное сечение уменьшилось на 1-2 мм (рис. 5).
Процесс изменения материалов кладочного раствора можно наблюдать на модели бутовой кладки. Швы раствора стали иметь вогнутую поверхность в сторону кладки глубиной до 2-3 мм. Известняк, который находился в зоне увлажнения и высушивания, уменьшился в объеме (рис. 3).
а)
б)
Рис. 3. Модель бутовой кладки
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
80
а)
Проблематика транспортных систем
б)
Рис. 4. Кубики раствора
а)
б)
Рис. 5. Кубики известняка
На рисунках 3-5:
а - до испытания; б - после 100 циклов замачивания-высушивания в агрессивной воде.
На определенных этапах циклического увлажнения-высушивания экспериментально определялись прочностные характеристики раствора и известняка путем раздавливания образцов. Затем оценивалась прочность всей бутовой кладки расчетным способом (рис. 6) по формуле Л. И. Онищика [1].
Проведенные эксперименты (100 циклов увлажнения агрессивной водой и высушивания) показали, что интенсивность воздействия агрессивной воды на материал бутовой кладки (известковый раствор и известняк) зависит от количества циклов.
На начальном этапе (до 10 циклов) процесс разрушения материалов бутовой кладки (известкового раствора и известняка) незначителен. На последующих этапах (с 10 до 20 циклов) процесс воздействия агрессивной воды на материал кладки резко возрастает, причем раствор разрушается более интенсивно. В пределах от 20 до 50 циклов процесс происходит более равномерно и менее интенсивно. При этом воздействие на раствор более значительно. В последующие циклы (с 50 до 100) интенсивность воз-
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
81
действия агрессивной воды как на раствор, так и на известняк резко возрастает.
Бутовая кладка —■— Раствор —•— Известняк
Рис. 6. Графики изменения относительной прочности известняка, раствора и бутовой кладки
Заключение
Таким образом, вода (агрессивная) выщелачивает растворимые компоненты кладочного материала бутовой кладки, приводит к вымыванию растворимых компонентов из них. Результаты исследований показали, что известковые растворы и известняки являются недостаточно стойкими к агрессивным средам - растворам солей и кислот. Активизация агрессивных
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
82 Проблематика транспортных систем
компонентов воды способствует уменьшению прочности фундаментов на 5-7% в течение 2-3 лет.
Библиографический список
1. Караулов Е. В. Каменные конструкции. Их развитие и сохранение. - М., 1966. - 240 с.
2. Дашко Р. Э. Анализ и оценка геоэкологического состояния подземного пространства Санкт-Петербурга // В сб: Сергеевские чтения. - М.: ГЕОС, 2001. - Вып. 3. -С. 72-78.
УДК 539.3
М. Д. Креминская
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ЯДРА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ НА РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ МЕХАНИКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ ВЫРОЖДЕННЫХ ГРАНИЧНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
Рассматриваются дифференциальные уравнения, которые могут быть сведены к уравнению Вольтера второго рода с ядром дифференциального уравнения и вырожденным ядром.
Приводится анализ применения квадратурных методов решения уравнений Вольтера, построенных на совместном применении замкнутых формул и формул операторного типа.
Приводятся аппроксимации невырожденного ядра исходного уравнения.
Приведенные решения совпадают с решениями по прямому методу граничных интегральных уравнений.
уравнение Вольтера, ядро дифференциального уравнения, ядро интегрального уравнения, матрица-функция, аппроксимации.
Введение
Наша цель - представить деформируемые модели в виртуальных окружениях. В современном математическом моделировании это обычно делается с помощью различных дискретных методов.
В динамике сплошных сред существует необходимость моделирования различного рода сингулярностей. Здесь к трудностям задач динамики добавляются трудности учета нерегулярностей. Известно, что метод конечных элементов неэффективен в случае удлинения областей вследствие невозможности описания с необходимой точностью поведения модели при дискретизации как для двумерных, так и для трехмерных линейно-упругих задач и задач теории потенциала.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
