CC BY
8References
1. Bushuyev, S., Bushuev, D., Bushuyeva, N., Kozyr, B. (2018). Information technologies for project management competences development on the basis of global trends. Information technology and learning tools, Vol. 68, No. 6, P. 218-234. DOI: https://doi.org/10.33407/itlt.v68i6.2684
2. Piterska, V., Kolesnikov, O., Lukianov, D., Kolesnikova, K., Gogunskii, V., Olekh, T., Shakhov, A., Rudenko, S. (2018). Development of the Markovian model for the life cycle of a project's benefits. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 5/4 (95), P. 30-39. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145252
3. Lapkina, I., Malaksiano, M. (2018). Estimation of fluctuations in the performance indicators of equipment that operates under conditions of unstable loading. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 1, No. 3 (91), P. 22-29. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.123367
4. Lapkina I., Malaksiano M., Savchenko Y. (2020). Design and optimization of maritime transport infrastructure projects based on simulation modeling. Proceedings of the 1st International Workshop IT Project Management (ITPM 2020). Slavsko, Lviv region, Ukraine, February 18-20. 2020. P. 36-45.
5. Onyshchenko, S., Bondar, A., Andrievska, V., Sudnyk, N., Lohinov, O. (2019). Constructing and exploring the model to form the road map of enterprise development. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 5, No. 3(101), P. 33-42. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179185
6. Lapkina, I., Malaksiano, M., Glavatskykh, V. (2019). A multi-criteria approach to justifying the choice of a project of bulk carrier vessel acquiring and operating. [Mnogokriterial'nyy podkhod k obosno-vaniyu vybora proyekta priobreteniya i ekspluatatsii
sudna-balkera]. Transport Systems and Technologies, Vol. 2. No. 33. P. 99-110. DOI: https://doi.org/10.32703/2617-9040-2019-33-2-10
7. Malaksiano, M. O., Melnyk, O. M. (2020). Vessel selection prospects and suitability assessment for oversized cargo transportation. Scientific Notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. Series: Technical Sciences, 31(70)(1 Part 2), 135-140. https://doi.org/10.32838/2663-5941/2020.1-2/25
8. Lapkina, I., Malaksiano, M., Glavatskykh, V. (2019). To the issue of the possibility of operating vessels at slow speeds. Scientific notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. Series: Technical Sciences, Vol. 30(69), No. 4(2), P. 134-140. DOI: https://doi.org/10.32838/2663-5941/2019.4-2/22
9. Melnyk, O., Malaksiano, M. (2020). Effectiveness assessment of non-specialized vessel acquisition and operation projects, considering their suitability for oversized cargo transportation. Transactions on Maritime Science, Vol. 9, No. 1, P. 23-34. DOI: https://doi.org/10.7225/toms.v09.n01.002
10. Obradovic, V., Todorovic, M., Bushuyev, S. (2018). Sustainability and Agility in Project Management: Contradictory or Complementary? IEEE 13 th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT), P. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/STC-CSIT.2018.8526666
11. Krishna, V., Basu, A. (2011), "Scrum+: is it ScrumBut or ScrumAnd", 2011 Annual IEEE India Conference, Hyderabad, P. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/INDCON.2011.6139625
12. Eloranta,V.-P., Koskimies, K., Mikkonen, T. (2016), "Exploring ScrumBut - An empirical study of Scrum anti-patterns", Information and Software Technology, Vol. 74, P. 194-203. DOI: https://doi.org/10.1016/jinfsof2015.12.003
СТРОИТЕЛЬСТВО ЗДАНИЙ НА СПЛОШНЫХ ПЛИТНЫХ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ФУНДАМЕНТАХ НА ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
Угляница А.В.
Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), Российская Федерация, профессор строительного института, доктор технических наук.
Булгакова А. С.
КузГТУ, магистрант строительного института.
CONSTRUCTION OF BUILDINGS ON COMPENSATED SLAB FOUNDATIONS IN AREAS
DAMAGED BY MINING
Uglyanitsa A.
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Russian Federation, Professor of Construction Institute, Doctor of Technical Sciences.
Bulgakova A.
KuzSTU, Graduate Student of Construction Institute.
Аннотация
Для застройки территорий ликвидированных угольных шахт и разрезов на техногенных и подработанных горными работами грунтах предложено размещать здания и сооружения на сплошном плитном компенсационном фундаменте включающем: сплошную железобетонную фундаментную плиту, песчаную подушку расположенную между ними бетонную компенсационную плиту из низкомарочного бетона. При просадке подработанных грунтов бетонная компенсационная плита, разрушаясь и увеличиваясь в объеме, заполняет кусками бетона линзу провала грунта под зданием, предохраняя железобетонную фундаментную
плиту от разрушения. Экспериментально установлено, что для изготовления компенсационной плиты из породобетона следует применять цементные бетоны с заполнителем из молотых горелых пород с крупной фракцией (-20 +10) мм и мелкой фракцией (-0,63) мм, соотношением процентного массового содержания крупной и мелкой фракций 25/75 и 50/50 и цементно-водным массовым отношением Ц:В=1:0,5. Породобе-тонные компенсационные плиты, рекомендованного состава, могут воспринимать в безусадочном режиме расчетную нагрузку до 9-11 МПа в сухом и до 8-9 МПа в водонасыщенном состояниях. Применение молотых вскрышных горелых подушки позволит утилизировать отвалы вскрышных горелых пород и улучшить экологическую ситуацию на застраиваемых территориях ликвидированных горных предприятий.
Abstract
For the development of the territories of abandoned coal mines and open pits on man-made soils and soils damaged by mining, it was proposed to place buildings and structures on a compensated slab foundation consisting of: a solid reinforced concrete foundation slab, a compensating low-grade concrete slab, and a sand cushion located between them. In case of subsidence of damaged soils, a concrete compensating slab, collapsing and increasing in volume, fills the of the soil failure lens under the building with pieces of concrete, protecting a reinforced concrete foundation slab from destruction. It has been experimentally established that for the manufacture of a compensating slab from rock concrete, cement concretes with an aggregate made of ground burnt rocks with a coarse (-20 +10) mm fraction and a fine (-0.63) mm fraction should be used; the ratio of the percentage mass fraction of coarse and fine fractions being 25/75 and 50/50 and the cement-water mass ratio C:W being 1:0.5. Reinforced concrete compensating slabs of the recommended composition can take a design load of up to 9-11 MPa in dry and up to 8-9 MPa in water-saturated conditions. The use of ground burnt overburden cushions will make it possible to utilize burnt overburden dumps and improve the environmental situation in the areas of abandoned mining enterprises to be developed.
Ключевые слова: строительство на подработанных территориях, сплошной плитный фундамент, компенсационная плита, породобетон.
Keywords: construction in areas damaged by mining, slab foundation, compensating slab, rock concrete.
Территории ликвидированных угольных шахт и разрезов на значительных площадях оказываются подработанными горнопроходческими и очистными работами. На участках с подработанными территориями происходят оседания и горизонтальные смещения земной поверхности, приводящие к деформации зданий и сооружений, вплоть до их разрушения. Кроме этого, на таких территориях, в верхней зоне грунтового основания, как правило, залегает ограниченной толщины слой загрязненных техногенных грунтов неоднородный по составу, строению и физико-механическим свойствам, который под действием нагрузки от здания неравномерно проседает под ним, вызывая осадку конструкций здания и возникновение в них критических разрушающих напряжений.
Для уменьшения величин деформаций зданий и сооружений, расположенных на подработанных грунтах, используют различные конструктивные мероприятия, обеспечивающие пространственную жесткость и прочность зданий и сооружений, устойчивость их конструкций и надежную связь элементов между собой. Здания и сооружения в таких условиях, в зависимости от их назначения и условий работы, проектируют по жесткой, податливой или комбинированной конструктивным схемам. Выбор вида конструктивной схемы определяется необходимостью, характером и составом принятых конструктивных мер защиты [1].
Жесткая конструктивная схема предусматривает исключение возможности взаимного перемещения отдельных элементов несущих конструкций при деформациях грунтового основания за счет: разделения зданий и сооружений деформационными швами на отдельные отсеки, усиления отдельных элементов несущих конструкций и свя-
зей между ними, устройства в стенах железобетонных поэтажных поясов, устройства горизонтальных дисков из железобетонных элементов перекрытия и покрытия, устройства фундаментов зданий и сооружений в виде сплошных железобетонных фундаментных плит, перекрестных балок, балок-стенок и т.п. Жесткая конструктивная схема рекомендуется для монолитных и крупнопанельных зданий с поперечными несущими стенами и каркасных зданий с жесткими рамными узлами несущего остова. Податливая конструктивная схема предусматривает возможность приспособления конструкций без появления в них дополнительных усилий к неравномерным деформациям земной поверхности за счет: устройства в подземной части горизонтальных швов скольжения, введения шарнирных и податливых связей между элементами несущих и ограждающих конструкций и др. Такая схема рекомендуется для каркасных зданий со связевыми или рамно -связе-выми элементами. При проектировании по комбинированной конструктивной схеме следует предусматривать сочетание жесткой и податливой схем с применением различных конструктивных схем подземной и надземной частей зданий и сооружений [1]. При этом для всех трех конструктивных схем, в случае залегания в верхней зоне грунтового основания ограниченной толщины слоя загрязненных техногенных насыпных грунтов, рекомендуется удаление этого слоя и замена его песчаной подушкой или его прорезка фундаментом [1, 2].
Возведение сплошной железобетонной фундаментной плиты под зданием или сооружением при застройке подработанных территорий ликвидированных угольных шахт и разрезов будет эффективным при реализации как жесткой, так и комбиниро-
ванной конструктивных схем [1]. Сплошная фундаментная плита, опирающаяся на утрамбованную песчаную подушку, будет исключать неравномерную осадку конструкций здания и возникновение в них критических разрушающих напряжений. Кроме этого, за счет большой площади опоры, сплошная фундаментная плита будет передавать на подработанное грунтовое основание незначительное давление от здания, предотвращая развитие просадки подработанных грунтов под зданием [1, 3, 4, 5, 6].
Недостаток применения сплошной железобетонной фундаментной плиты с песчаной подушкой при строительстве зданий и сооружений на подработанных грунтах заключается в том, что в случае возникновения провала грунта под зданием, песок из песчаной подушки проседает в этот провал и под фундаментной плитой образуется пустое пространство - полость. В результате, под действием нагрузки от здания, в фундаментной плите над образовавшейся полостью возникают растягивающие напряжения, приводящие к её разрушению.
Для предотвращения разрушения фундаментной плиты при образовании под ней локальной полости, вследствие просадки подработанных грунтов под зданием, в работе предлагается размещать между фундаментной плитой и песчаной подушкой бетонную неармированную компенсационную плиту из низкомарочного цементного бетона. В случае возникновения под песчаной подушкой локальной просадки грунтов, песок из песчаной подушки будет заполнять образующуюся линзу провала и под бетонной компенсационной плитой начнет формироваться вторичная полость, которая приведет к трещинообразованию и разрушению бетона компенсационной плиты. При этом, поскольку при растрескивании и разрушении бетона его объем увеличивается, то на месте образовавшейся
полости, сформируется опорная подушка из кусков бетона, которая будет служить опорой для железобетонной фундаментной плиты, предотвращая ее разрушение. На рис. 1 представлена схема работы сплошного плитного компенсационного фундамента при просадке подработанных грунтов под зданием.
Для восстановления защитной функции поврежденной бетонной компенсационной плиты, на случай возникновения последующих просадок подработанного грунтового основания, необходимо выполнить инъекционное упрочнение растрескавшегося бетона компенсационной плиты цементно-песчаным раствором через скважины, пробуренные в фундаментной плите.
Для изготовления сплошных железобетонных фундаментных плит обычно применяют цементный бетон класса по прочности не ниже В22,5, что соответствует пределу прочности бетона на сжатие ссж ~ 30 МПа. При этом прочность бетона компенсационной плиты должна составлять не более 8-12 МПа, поскольку бетон указанной прочности не будет давать усадки под сплошной железобетонной фундаментной плитой в процессе эксплуатации здания, и будет растрескиваться и увеличивать свой объем под ней при просадке подработанного грунтового основания.
Расчет предложенного сплошного плитного компенсационного фундамента следует производить на основе известных методик расчета сплошной железобетонной фундаментной плиты на про-садочных и подработанных грунтах [3, 4, 5, 6]. При этом толщина бетонной компенсационной плиты для эффективной её работы должна составлять не менее 1,2-1,5 м и определяться в зависимости от прогнозируемой величины возможной просадки подработанных грунтов основания под зданием.
Рис. 1. Схема работы сплошного плитного компенсационного фундамента при просадке подработанных
грунтов под зданием:
1- здание; 2 - сплошная железобетонная фундаментная плита; 3 - почва; 4 - бетонная компенсационная плита; 5 - песчаная подушка; 6 - загрязненный техногенный верхний слой грунтового основания; 7 -подработанное грунтовое основание; 8 - линза провала грунта; 9 - опорная подушка из кусков растрескавшегося бетона.
Однако компенсационная плита из цементного бетона с заполнителем из песка и щебня будет иметь высокую стоимость. Дешевым и доступным заполнителем для цементного бетона является молотая вскрышная горелая порода. Положительный опыт применения вскрышных горелых пород в строительной отрасли изложен в работах многих исследователей [7, 8].
Учитывая, что на ликвидированных угольных предприятиях всегда имеются отвалы вскрышных горелых пород, для снижения стоимости сооружения бетонной компенсационной плиты, а также с целью полезной утилизации отвальных вскрышных горелых пород, в КузГТУ выполнены исследования по изучению возможности изготовления бетонных компенсационных плит из цементного породобе-тона с заполнителем из молотой вскрышной горелой породы.
Для изготовления образцов цементного поро-добетона из вскрышных горелых пород использовали следующие исходные материалы: вяжущее -портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н Топкинского цементного завода Кемеровской области; заполнитель - вскрышная горелая порода из отвалов ликвидированной шахты «Ягуновская» в г. Кемерово; вода - водопроводная с температурой +12 °С.
Так как для получения цементного бетона при минимальном расходе цемента в качестве заполнителя в основном применяют двухкомпонентную (бинарную) смесь, то для приготовления образцов породобетона использовали смесь двух фракций молотых вскрышных горелых пород. При этом частицы мелкой фракции заполняют пустоты между частицами крупной фракции, в результате чего образуется плотная смесь заполнителя, содержащая большое количество твердого вещества и, следовательно, минимальное количество порового пространства.
Образцы изготавливали в стандартных разъемных металлических квадратных формах с размером 100^100x100 мм. Для изготовления образцов принимали четыре стандартные фракции молотых вскрышных горелых пород, одна крупная фракция размером (-20 +10) мм и три варианта мелких фракций с размером зерен: (-2,5 +1,25) мм, (-1,25 +0,63) мм и (-0,63 + 0,315) мм. Варьирование массового содержания фракций в образце принимали, равным 25 %, исходя из принципа минимальной достаточности. Количество вариаций образцов цементного породобе-тона из молотых горелых пород составило 12 шт.
Для приготовления породобетона из молотых вскрышных горелых пород применяли цементный раствор с цементно-водным массовым отношением Ц:В =1:0,5, поскольку он обладает 100 % выходом цементного камня. Объем раствора для приготовления бетонной смеси принимали равным пустотности смеси заполнителя из молотой вскрышной горелой
породы, которую определяли путем заполнения водой формы с заполнителем из молотой горелой породы исследуемого гранулометрического состава. Бетонную смесь приготавливали в лабораторном смесителе. Отформованные образцы хранили в течение суток в формах при температуре +20 ± 2 °С. После распалубки образцы набирали прочность при той же температуре и постоянной влажности 100 % в течение 28 суток.
Определение прочности образцов породобе-тона на сжатие производили в сухом и водонасы-щенном состояниях на гидравлическом прессе. Испытание на снижение прочности на сжатие водона-сыщенных образцов цементного породобетона производили следующим образом. Образцы погружали в воду и каждые сутки производили их взвешивание с периодичностью в 1 сутки. Взвешивание осуществляли на электронных весах с точностью измерения 0,0005 г. Процесс насыщения образцов водой продолжался 12-18 суток. Максимальное поглощение воды (~ 95 %) происходило в первые сутки. В оставшееся время происходило равномерное водонасыщение образцов со скоростью (1,2-1,8 г/сутки). После того, как вес образца стабилизировался, его испытывали на прочность по методике, как и для сухих образцов.
Коэффициент размягчения породобетона при его водонасыщении Кр определяли как отношение предела прочности при сжатии породобетона в во-донасыщенном состоянии к пределу прочности при сжатии породобетона в сухом состоянии.
С целью определения необходимого числа испытаний одинаковых (с одним гранулометрическим составом) образцов породобетона, а также для дальнейшего планирования экспериментальных исследований предварительно было изготовлено десять образцов из молотой горелой породы с фракцией (-10 +5) мм и цементно-водным массовым сотношением Ц:В=1:0,5. Среднеарифметическое значение предела прочности образцов породобе-тона составило ссж = 4,15 МПа. Необходимое количество образцов с одним гранулометрическим составом для точности полученного результата, равной 90 %, составило n = 2,66 ± 1,9. В дальнейшем в каждой серии экспериментов ограничивались испытанием трех образцов породобетона в сухом и трех образцов в водонасыщенном состояниях. Всего было испытано 72 образца.
В таблице представлены результаты основных экспериментальных исследований по определению пределов прочности образцов породобетона на сжатие в сухом и водонасыщенном состояниях. На рисунке 2 представлена зависимость предела прочности образцов породобетона на сжатие в сухом состоянии в зависимости от размеров фракций заполнителей и их процентного содержания.
Таблица
Результаты экспериментальных исследований по определению пределов прочности образцов породобе-_тона на сжатие в сухом и водонасыщенном состояниях_
Номер образца Размер фракции, мм Соотношение содержания крупной и мелкой фракций Предел прочности образца при сжатии Ссж, МПа Коэффициент размягчения Кр
Крупная фракция Мелкая фракция Сухой Водонасы-щен ный
1 -20 +10 -2,5 +1,25 75/25 5,28 3,48 0,66
2 -20 +10 -1,25 +0,63 75/25 6,05 4,30 0,71
3 -20 +10 -0,63 +0,315 75/25 6,48 4,92 0,76
4 -20 +10 -0,315 75/25 7,10 5,68 0,80
5 -20 +10 -2,5 +1,25 50/50 7,57 5,22 0,69
6 -20 +10 -1,25 +0,63 50/50 8.46 6,26 0,74
7 -20 +10 -0,63 +0,315 50/50 9,05 7,24 0,80
8 -20 +10 -0,315 50/50 10,23 8,59 0,84
9 -20 +10 -2,5 +1,25 25/75 7,40 5,33 0,72
10 -20 +10 -1,25 +0,63 25/75 8,63 6,73 0,78
11 -20 +10 -0,63 +0,315 25/75 9,15 7,50 0,82
12 -20 +10 -0,315 25/75 11,03 9,71 0,88
Наименьшие значения предела прочности получены для породобетона с размерами мелкой фракции (-2,5 +1,25) и (-1,25 +0,63) мм с соотношением процентного массового содержания крупной и мелкой фракций в породобетоне, равном 75/25, а наибольшие значения получены для поро-добетона с размерами мелкой фракции (-0,63 +0,315) и (-0,315) мм с соотношением процентного массового содержания крупной и мелкой фракций 25/75 и 50/50. Поэтому для изготовления породобе-тонных компенсационных плит следует применять цементные породобетоны с размерами заполнителей из молотых горелых пород с крупной фракцией (-20 +10) мм и мелкой фракции (-0,63) мм, с соотношением процентного массового содержания Осж, МПа 10
крупной и мелкой фракций 25/75 и 50/50 и водоце-ментным массовым отношением Ц:В=1:0,5. Компенсационные плиты из породобетонов, рекомендованных составов, могут воспринимать в безусадочном режиме расчетные нагрузки от зданий и сооружений до 9-11 МПа в сухом и до 8-9 МПа в водонасыщенном состояниях.
Учитывая высокую стоимость песка, для изготовления песчаных подушек следует также применять двухкомпонентные смеси молотых вскрышных горелых пород с рекомендованными размерами крупной и мелкой фракций и их процентным массовым соотношением.
— —1
—1 —
—1
-
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
( ) ( I I ) ( II I )
Рис. 2. Зависимость предела прочности образцов породобетона на сжатие в сухом состоянии в зависимости от размеров фракций заполнителей и их процентного содержания: 1 - фракция (-0,315); 2 -фракция (-0,63+0,315); 3 - фракция (-1,25 + 0,63); 4 - фракция (-2,5 +1,25); I, II и III - массовые процентные соотношения содержания крупной и мелкой фракций: I - 25/75; II - 50/50; III - 75/25.
Заключение 1. Для строительства зданий и сооружений с жесткой или комбинированной конструктивными схемами на подработанных территориях угольных шахт и разрезов предложен сплошной плитный
компенсационный фундамент, включающий: сплошную железобетонную фундаментную плиту, песчаную подушку и расположенную между ними породобетонную компенсационную плиту. При просадке подработанных грунтов породобетонная
компенсационная плита, разрушаясь и увеличиваясь в объеме, заполняет кусками породобетона линзу провала грунта под зданием, предохраняя железобетонную фундаментную плиту от разрушения.
2. Для изготовления породобетонной компенсационной плиты следует применять двухкомпо-нентную смесь заполнителей из молотых вскрышных горелых пород с размером крупной фракции (20 +10) мм и мелкой фракции - (-0,63) мм с соотношением процентного массового содержания крупной и мелкой фракций 25/75 и 50/50 и с це-ментно-водным массовым отношением Ц:В = 1:0,5.
3. Компенсационные плиты, изготовленные из цементного породобетона с заполнителем из молотых вскрышных горелых пород рекомендованного состава, могут воспринимать в безусадочном режиме расчетную нагрузку от зданий и сооружений до 9-11 МПа в сухом и до 8-9 МПа в водонасыщен-ном состояниях.
4. Применение молотых вскрышных горелых пород для изготовления породобетонных компенсационных плит и песчаных подушек при строительстве зданий и сооружений на подработанных территориях ликвидированных угольных шахт и разрезов позволит утилизировать отвалы вскрышных горелых пород и улучшить экологическую ситуацию на территориях ликвидированных горных предприятий.
Список литературы
1. СП 21.13330.2012. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. - М.: Стандартинформ, 2017. - 86 с.
2. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М.: 2004. - 148 c.
3. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. - М.: 2016. - 55 c.
4. Руководство по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. -М.: Стройиздат, 1984.- 298 с.
5. Каюмов М. З. Взаимодействие плитного фундамента заглубленного сооружения с основанием над карстовой полостью: автореферат дис. ... кандидата технических наук. - М.: МГСУ, 2012. - 22 с.
6. Cajka R., Burkovic K., Buchta, V. Foundation Slab in Interaction with Subsoil // Advanced Materials Research. - 2014. - № 838- 841.- pp. 375-380.
7. Ryazanov A. N. Physico-mechanical properties and technology of combustion gasestion of concrete / A. N. Ryazanov, P. E. Krizia // Visnyk of Naukovi LNPU. - 2009.- No. 2.- pp. 3-8.
8. Чумаченко Н.Г., Тюрников В.В., Сейкин А.Е., Баннова С.Е. Возможности использования горелых пород в строительстве. Экология и промышленность России. 2015;19(11):41-46. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2015-11-41-46.
