Трехслойный сплошной плитный фундамент для застройки подработанных территорий ликвидированных угольных шахт и разрезов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Трехслойный сплошной плитныи фундамент для застроики подработанных территорий ликвидированных угольных шахт и разрезов

Угляница Андрей Владимирович

д.т.н., профессор, профессор Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), uav@Kuzstu.ru,

Для застройки территорий ликвидированных угольных шахт и разрезов на техногенных и подработанных горными работами грунтах предложено размещать здания и сооружения на трехслойном сплошном плитном фундаменте включающем: сплошную железобетонную фундаментную плиту, песчаную подушку из молотых вскрышных горелых пород 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. Экспериментально установлено, что для изготовления породобетонной компенсационной плиты следует применять цементные породобетоны 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. Породобетонные компенсационные плиты, рекомендованного состава, могут воспринимать в безусадочном режиме расчетную нагрузку до 9-11 МПа в сухом и до 8-9 МПа в водо-насыщенном состояниях. Применение молотых вскрышных горелых пород для изготовления породобетонной компенсационной плиты и песчаной подушки позволит утилизировать отвалы вскрышных горелых пород и улучшить экологическую ситуацию на застраиваемых территориях ликвидированных горных предприятий.

Ключевые слова: строительство на подработанных территориях, сплошная фундаментная плита, породобетон.

о см о см

О!

^

I-О ш т х

<

т о х

X

Введение. 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 связей 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-связевыми элементами. При проектировании по комбинированной конструктивной схеме следует предусматривать сочетание жесткой и

податливом 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 комбинированной 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 не-армированную 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 трехслойного сплошного плитного 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 Осж ~ 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.

Рис. 1. Схема работы трехслойного сплошного плитного 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.

Расчет предложенного трехслойного сплошного плитного фундамента следует производить на основе известных методик расчета сплошной железобетонной фундаментной плиты на просадочных 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.

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 породобетона с заполнителем из молотой вскрышной горелой породы.

Цель исследования. Разработка технических и технологических решений по защите железобетонной фундаментной плиты здания от разрушения при просадке подработанных грунтов под зданием, за счет размещения между фундаментной железобетонной плитой и песчаной подушкой породобетонной компенсационной плиты, которая при просадке грунтов под зданием растрескивается и увеличивает свой объем.

Материал и методы исследования. Для изготовления образцов цементного породобетона из вскрыш-

X X

о

го А с.

X

го т

о

м о м о

о см о см

о ш т

X

<

т О X X

ных 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 «Ягунов-ская» 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*100*100 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 породобетона 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 породобетона на сжатие производили в сухом и водонасыщенном состояниях на гидравлическом прессе. При определении прочности образцов среднюю скорость возрастания напряжения на прессе принимали 0,2-1,0 МПа/с, при этом разрушающая нагрузка образца укладывалась в границах 20-80 % от максимального усилия пресса.

Испытание на снижение прочности на сжатие водо-насыщенных 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 водонасы-щенном 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 це-ментно-водным массовым сотношением Ц:В=1:0,5. Среднеарифметическое значение предела прочности образцов породобетона составило Осж = 4,15 МПа. Необходимое количество образцов с одним гранулометрическим составом для точности полученного результата, равной 90 %, составило п = 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.

Результаты исследований и их обсуждение. 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.

Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований по изучению прочностных свойств цементного породобетона с заполнителем из молотых вскрышных горелых пород показал, что предел прочности породобетона Осж в зависимости от размеров фракций крупного и мелкого заполнителей и их процентного соотношения изменяется в интервале 5,28 - 11,03 МПа, а коэффициент размягчения породобетона за счет его водонасыщения Кр изменяется, соответственно, в интервале 0,66 - 0,88.

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований по определению пределов прочности образцов породобетона на сжа-

Номер образца Размер фракции, мм Соотношение содержания крупной и мелкой фракций Предел прочности образца при сжатии стсж, МПа Коэффициент размягчения КР

Крупная фракция Мелкая фракция Сухой Водо-насыщен 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

Рис. 2. Зависимость предела прочности образцов поро-добетона 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.

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 породобетона 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 породобетонных 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 крупной и мелкой фракций 25/75 и 50/50 и водоцемент-ным 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 двух-компонентные смеси молотых вскрышных горелых пород с рекомендованными размерами крупной и мелкой фракций и их процентным массовым соотношением.

Выводы

1. Для строительства зданий и сооружений с жесткой или комбинированной конструктивными схемами на подработанных территориях угольных шахт и разрезов предложен трехслойный сплошной плитный фундамент, включающий: сплошную железобетонную фундаментную плиту, песчаную подушку и расположенную между ними породобетонную компенсационную плиту. При просадке подработанных грунтов поро-добетонная 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 двухкомпонентную 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 цементно-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 водонасыщенном 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.

Литература

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 с.

3. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. - М.: 2016. - 55 с.

4. Руководство по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа / НИИОСП им. Н.М.Герсеванова . - М.: Стройиз-дат, 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., Бан-нова 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.

Three-layer slab foundation for building in subsided areas of

abandoned coal mines and open pits Uglyanitsa A.V.

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University For building in areas of abandoned coal mines and open pits on soils damaged by anthropogenic impact and mining operations, it is proposed to base buildings and structures on a three-layer slab foundation including: a solid reinforced concrete foundation slab, a sub-ballast of ground overburden burnt rocks and a rock concrete compensation slab located between them. During subsidence of mined soils, the rock concrete compensation slab, collapsing and increasing in volume, fills the soil failure lens under the building with pieces of rock concrete, protecting the reinforced concrete foundation slab from destruction. It was experimentally established that for the production of rock concrete compensation slabs, cement rock concrete with aggregate of ground burnt rocks with a coarse fraction (-20 +10) mm and a fine fraction (-0.63) mm should be used; the

X X О го А С.

X

го m

о

м о м о

ratio of the percentage mass fraction of coarse and fine fractions being 25/75 and 50/50 and the cement-water mass ratio C^ being 1:0.5. The reinforced concrete compensation 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 overburden burnt rocks for the manufacture of rock concrete compensation slabs and sub-ballast will allow utilizing overburden burnt dumps and improving the environmental situation when building in areas of abandoned mining enterprises. Keywords: building in subsided areas, foundation slab, rock

concrete. References

1. SP 21.13330.2012. Buildings and structures in the undermined

territories and subsidence soils. - M .: Standartinform, 2017. -86 p.

2. SP 50-101-2004. Design and installation of foundations and

foundations of buildings and structures.- M .: 2004. - 148 c.

3. SP 22.13330.2016. Foundations of buildings and structures. -

M.: 2016 .-- 55 p.

4. Guidance on the design of slab foundations of frame buildings

and structures of a tower type / NIIOSP them. N.M. Gersevanova. - M.: Stroyizdat, 1984 .- 298 p.

5. Kayumov MZ Interaction of the slab foundation of a buried

structure with a base over the karst cavity: abstract of thesis. ... of a candidate of technical sciences.- M .: MGSU, 2012 .-22 p.

6. Cajka R., Burkovic K., Buchta, V. Foundation Slab in Interaction

with

Subsoil // Advanced Materials Research. - 2014. - No. 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. Chumachenko N.G., Turnikov V.V., Seikin A.E., Bannova S.E.

Possibilities of using burnt rocks in construction. Ecology and industry of Russia. 2015; 19 (11): 41-46. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2015-11-41-46.

o

CN O CN

O m m x

<

m o x

X