CC BY
66
УДК 691.16
ЮРЧЕНКО В.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта),
ХЛЕБОРОДОВА В.В., студентка 3-ЭЖД заочного отделения (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Ресурсосбережение в строительстве
Yurchenko V.V., Senior Lecturer (DRTI),
Khleborodova V.V., 3rd year student of the correspondence department (DRTI) Resource in construction
Введение
Проблема ресурсосбережения была и остается чрезвычайно важной для различных сфер народного хозяйства, но наиболее актуальной она представляется в строительстве и производстве
строительных материалов, так как эта отрасль потребляет около одной трети всей массы продукции материального производства. Важнейшим направлением ресурсосбережения в строительстве является широкое использование отходов производства. К ним относятся остатки сырья, материалов или полуфабрикатов, продукты физико-химической переработки сырья и побочные промышленные продукты.
Для производства строительных материалов ежегодно расходуется до 50 млн. т. условного топлива [1]. Экономное расходование топлива приобрело особую актуальность в связи с ростом его потребления. С другой стороны, утилизация промышленных отходов требует отчуждения огромных площадей сельскохозяйственных угодий. В то же время транспортирование и складирование отходов отвлекает значительные средства от основного производства. Отходы отрицательно влияют на экологические факторы. Наиболее значительны выбросы в атмосферу энергетической, химической и металлургической промышленности [2].
Увеличение темпов роста
строительного производства связано с привлечением новых источников сырья в сравнении с природными и дорогостоящими материалами. К числу таких источников, обладающими большими резервами, относятся различные шлаки: черной и цветной металлургии, производства фосфора, топливные шлаки. В промышленно развитых регионах страны имеется богатая база вторичных минеральных ресурсов в виде зол и шлаков.
Анализ последних исследований и публикаций
В индустриальных регионах с развитым металлургическим и энергетическим производством новое строительство и реконструкцию комплексов действующих заводов производят на территориях бывших шлаковых отвалов, отвалов пород горнодобывающих предприятий. При проектировании и привязке новых объектов предусматривается обычно полное удаление или частичная срезка насыпных грунтов, что приводит к существенному удорожанию строительства.
Для устройства искусственных оснований под фундаменты промышленных зданий и сооружений чаще всего применяются материалы естественного происхождения: песок, гравий, гранитный и
известняковый щебень, отсевы дробления горных пород. Для закрепления слабых оснований используют различные методы и, в частности, силикатизацию, цементацию, битуминизацию и т.д. Нередко при проектировании малонагруженных оснований в качестве фундаментов применяются фундаменты в вытрамбованных котлованах (ФВК).
Сталеплавильные шлаки вполне могут быть использованы для создания зон уширения фундаментов в вытрамбованных котлованах. Они характеризуются межзерновой пустотностью >50%, объемной насыпной массой 12001500 кг/м , морозостойкостью F25-50, водопоглощением в пределах 1-5%.
В сталеплавильных шлаках мартеновского производства, обладающего меньшими вяжущими свойствами чем доменные шлаки, вследствие содержания свободной окоси кальция (СаО) может происходить известковый распад. Нормативные документы предусматривают использование сталеплавильных шлаков после полного прекращения их распада, а это требует длительной их выдержки в отвалах или искусственному их старению путем рыхления и поливки водой.
Цель работы
Целью исследований являлось экспериментальное определение несущей способности ФВК в зависимости от различных факторов, влияющих на эффективность их применения.
Одновременно с этими изучалась возможность использования местных материалов для создания жесткого ядра в основании фундамента.
Исследования выполнялись методами моделирования и сопоставительного анализа в два этапа. На первом этапе исследования с целью выбора оптимального режима вытрамбовывания производилась отработка технологии устройства фундаментов, определение параметров режима вытрамбовки и влияние
исходных параметров грунтов на несущую способность фундаментов. На втором этапе исследований производилась сравнительная оценка возможности использования отвальных мартеновских и доменных шлаков для создания жесткого уширения в основании фундаментов в вытрамбованных котлованах.
Основной материал
В Донбассе получили распространение фундаменты в вытрамбованных котлованах (ФВК), эффективность которых достигается более полным использованием потенциальной несущей способности при значительном сокращении объема земляных работ.
Вытрамбовывание котлованов позволяет искусственного повысить несущую способность грунтов основания. Технология заключается в том, что котлованы под отдельно стоящие фундаменты не отрываются, а вытрамбовываются на необходимую глубину (0,5 - 3,0 м). Грунт вокруг котлована и под его дном при этом уплотняется, а его несущая способность повышается. После вытрамбовывания в котлован заливается монолитный бетон или устанавливается сборный фундаментный блок, имеющий близкие к котловану форму и размеры.
Котлованы вытрамбовываются в соответствии с технологической картой работ. Очередность вытрамбовывания и схемы движения механизма с трамбовкой назначаются с таким расчетом, чтобы обеспечивалось бетонирование фундаментов не позднее чем через 1 - 2 суток после окончания вытрамбовывания. Расстояние между трамбуемой и бетонируемой захватками принимается не менее 10 м в целях обеспечения условий для нормального твердения уложенного бетона в течение первых 3 суток после его укладки.
Для выбора оптимального режима вытрамбовывания испытания моделей ФВК производились на специальном стенде в двух режимах: вытрамбовывания с
извлечением трамбовки после каждого удара и без извлечения трамбовки («забивкой») до требуемой глубины. При вытрамбовывании котлована с уширением после вытрамбовки в выемку порциями засыпался дресвяный материал (1/3 объема трамбовки). Далее производилось втрамбовывание в основании фундамента этого материала. Эффективность режима вытрамбовывания оценивалась по деформациям индикационных прослоев в испытываемом грунте (размерам зон уплотнения), а также по графикам зависимости осадки фундамента от нагрузки.
В процессе испытаний варьировали начальной плотностью и влажностью песка и суглинка, весом трамбовки, высотой сбрасывания, количеством ударов. Для оценки степени уплотнения грунта может быть использована энергия удара Э и суммарная энергия удара Э-п (п - количество ударов, затрачиваемых на вытрамбовывание котлована). При выполнении испытаний моделей фундаментов определялось и количество энергии, затрачиваемой как на вытрамбовывание фундамента, так и на устройство уширения. На устройство уши-рения (фундаменты с уширенным основанием) затрачивается такое же количество суммарной энергии, что и на вытрамбовывание котлована (рис. 1), а зона уплотнения увеличивается в среднем на 30%. Плотность грунта в зоне уплотнения меняется незначительно и независимо от вида грунта. Однако объем втрамбованного щебня существенно сказывается на несущей способности фундаментов за счет создания различных по размерам зон уплотнения.
При использовании шлаков с незаконченным процессом распада (при содержании в шлаке распадающихся частиц до 5-10%) наблюдается некоторое увеличение осадки фундамента во времени особенно в водонасыщенных условиях за счет механического дробления шлака и перехода свободной окиси кальция СаО в Са(ОН)2. Испытанием песчаного грунта, обладающего различной начальной
плотностью и влажностью, было установлено, что большая несущая способность на таком основании соответствовала влажности W = 0,1 - 0,12 и удельным весом у а = 16 - 16,5 кН/м . При этом для вытрамбовывания котлована затрачивается в 1,5 - 2 раза меньше суммарной энергии, а размер уплотненной зоны увеличивается 1,5 - 1,8 раза.
При испытаниях связанных грунтов, представленных средними и тяжелыми суглинками с начальной влажностью 0,10 -0,12 и удельным весом у а = 16 - 17 кН/м , установлено, что изменения суммарной энергии, затрачиваемой на
вытрамбовывание соответствует той же закономерности, что и в песчаных грунтах. Однако несущая способность ФВК при втрамбовании щебня увеличивается более чем в два раза. Количество же суммарной энергии затрачиваемой для вытрамбования одних и тех же объемов грунта в пылевато-глинистых грунтах меньше, чем в несвязанных грунтах. При этом эффект уплотнения (степень уплотнения грунта и размер зоны уплотнения) в глинистых грунтах меньше.
Технологическая последовательность вытрамбовывания котлованов определяется грунтовыми условиями и типом фундаментов. Последние подразделяются по глубине заложения (мелкого заложения и удлиненные), способу устройства (обычные и с уширенным основанием), взаимному расположению и характеру взаимодействия с грунтом основания (столбчатые и ленточные прерывистые).
При выборе способе вытрамбовывания для пылевато-глинистых грунтов наиболее приемлемым и более эффективным оказался способ вытрамбовывания, для несвязанных грунтов - способ "забивки".
Для оценки возможности использования отвальных мартеновских и доменных шлаков для создания жесткого уширения в основании фундаментов использовались специальные методы исследований: электронно-микроскопический и рентгено-
фазовый анализ шлаковых смесей в возрасте 1-7 месяцев и различной добавкой цемента (0,5 - 2,5%). Механическое активирование шлаков указывают на
существенное возрастание прочности в возрасте 90 суток.
кубиковой
1 - фундамент; 2 - втрамбованный жесткий материал; 3 - уплотненная зона а - фундамент мелкого заложения с плоской подошвой; б - удлиненный фундамент с
уширенным основанием Рис. 1 - Схема фундаментов в вытрамбованных котлованах
Однако процесс набора прочности во времени протекал неравномерно. В возрасте 28 - 60 суток происходило даже некоторое снижение прочности, что связано с различными фазами структуро-образования, происходящими при гидратации шлаков.
Испытания моделей фундаментов с уширением из доменных и мартеновских шлаков, выполненные как в глинистых, так и в песчаных грунтах, свидетельствуют о повышении несущей способности оснований во времени за счет увеличения жесткости шлакогрунтового ядра на 7, 28, 90 сутки [3]. Несущая способность ФВК определяется как
наименьшее из трех значений: по уширению из щебня, по уплотненной зоне и по подстилающему слою.
Особенность расчета таких фундаментов заключается в том, что расчет по второй группе предельных состояний ведется как для условного фундамента, диаметр которого равен диаметру уширения из щебня [4]. Здесь следует отметить, что в связи с незначительным размером жесткого уширения осадки ФВК могут превышать предельно допустимых по СНиПу значений. Поэтому при проектировании ФВК с известными значениями размеров фундаментов по верху и по низу для
выполнения требований расчета по несущей способности и деформациям приходится варьировать глубиной вытрамбовывания, объемом втрамбованного щебня и количеством фундаментов в кусте. В случае сложных грунтовых условий и различных по величине действующих нагрузок на фундаменты расчет их становится громоздким.
Для оптимизации расчетов ФВК и их оснований требуется выбор критерия, относительно которого производится сопоставительный выбор глубины вытрамбовывания, объема щебня и т.п. К примеру, с целью выравнивания осадок допустимо принимать осадку ФВК в наиболее нагруженном сечении как предельную и отвечающую требованиям СНиП.
В действующих нормативных документах по расчету ФВК не отражен весь диапазон грунтовых условий, исходя из области их применения. В частности, нормативные значения деформационно-прочностных характеристик лессовых грунтов для предварительных расчетов приведены только для суглинков с различной степенью влажности.
Выводы
Проведенные исследования
позволили получить некоторые данные для выбора оптимальных параметров по устройству ФВК в различных грунтовых условиях. Подтверждена возможность использования отвальных мартеновских и доменных шлаков для создания жесткого уширения в основании фундаментов.
При устройстве фундаментов в вытрамбованных котлованах для создания уширения по подошве взамен дорогостоящего и дефицитного щебня применяются отвальные доменные и мартеновские шлаки. Рациональное использование отвальных шлаков и эффективного их применения требуют
специальных исследований, в том числе определения химического и минерального состава
Список литературы:
1. Зольникова Г.С. Исследование металлургических, электротермофосфор-ных и топливных шлаков в строительной индустрии. М.: ЦНИИПЭИМС, 1989, Вып. 13, с.45.
2. Дворкин Л.И. Пашков И.А. Строительные материалы из отходов промышленности. Учеб. пособие. -К. Высшая школа, 1989, 208 с.
3. Оглоблин В.Ф. Гринько Е.В. Фундаменты в вытрамбованных котлованах с использованием местных материалов. Мат. XVII НТК Инженерно - технические изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе, Донецк, 1989.
4. Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах. -М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР, 1981.
Аннотации:
В статье приведены результаты экспериментальных исследований несущей способности моделей фундаментов в вытрамбованных котлованах в зависимости от вида грунтах оснований и заданных физико-механических свойств. Рассмотрены вопросы замены природного щебня отходами металлургического производства. Поставлены задачи совершенствования метода расчета.
Ключевые слова: строительные материалы; фундамент; вытрамбованные котлованы.
The results of experimental studies of the bearing capacity of foundations models in vytrambovannyh pits, depending on the type of soil base and set of physical and mechanical properties. The problems of replacement of natural gravel metallurgical production waste. The tasks of improving the method of calculation.
Key words: construction materials; foundation; vytrambovannye pits.
