Construction and Geotechnics

Вопросам взаимодействия одиночной сваи с окружающим и подстилающим грунтами посвящено большое количество научных работ как российских, так и зарубежных авторов. Основываясь на экспериментальных, численных и теоретических исследованиях, в научных работах были получены различные методы, подходы и решения, позволяющие наиболее корректно спрогнозировать осадку и несущую способность одиночной сваи. Исследования в данной области являются актуальными, поскольку определение осадки сваи, а также изучение механизма распределения нагрузки, передаваемой на неё, играют важную роль при проектировании свайных фундаментов. В настоящей работе была решена краевая задача о взаимодействии длинной и несжимаемой сваи с окружающим и подстилающим грунтами в упруго-вязкой постановке с учетом упрочнения грунта, основываясь на модели Максвелла, а также на основе реологической модели А.З. Тер-Мартиросяна. В данном исследовании представлен подробный ход решения краевой задачи, а также основные формулы для расчёта осадки и длительной несущей способности одиночной сваи. Показано изменение кривой зависимости σ R ( t ) при различных значениях вязкости грунта при решении задачи в упруго-вязкой постановке. Представлен дополнительный график зависимости σ R ( t ), показывающий различие в представленных моделях грунта. На основании построенных графиков зависимости σ R ( t ) при решении задачи в упруго-вязкой постановке можно сделать вывод о том, что время достижения максимального значения нагрузки под пятой сваи прямо пропорционально значению вязкости грунта. При решении задачи на основе реологической модели А.З. Тер-Мартиросяна максимальное значение нагрузки под пятой сваи достигается раньше, чем при решении задачи в упруго-вязкой постановке как с учетом упрочнения грунта, так и без него, что требует дополнительного изучения.

Рассмотрены новые технические решения для устранения сил негативного трения при устройстве свайных фундаментов на просадочных грунтах. Силы трения, возникающие между просадочным грунтом и боковой поверхностью сваи, согласно закону Амонтона - Кулона и теоретическим обоснованиям Б.В. Дерягина представлены в виде суммы члена, зависящего от сцеплениям и произведения коэффициента трения на нормальное давление. Находится некоторая функция, апроксимирующая суммарную силу трения по боковой поверхности сваи. Дифференцируя эту функцию, получаем формулу, определяющую изменение давления грунта на боковую поверхность сваи, изменяющуюся с глубиной расположения сваи в просадочном грунте. Для резкого уменьшения сил негативного трения автором разработана конструкция свайного фундамента, изготовляемого из асбестоцементных труб. Исследования показали, что в этих сваях силы негативного трения уменьшаются на 20-30 % по сравнению с бетонными сваями, изготовленными в заводских условиях. Автором разработаны два варианта метода возведения свайного фундамента на просадочных грунтах, в котором роль антифрикционной смазки выполняет слой из гумбрина. Гумбрин является отходом технологии очистки технических масел. Этот отход в больших количествах накапливается в полигонах нефтеперерабатывающих предприятий. Автором предложена новая конструкция свайного фундамента, в котором в качестве внешней оболочки для снятия сил негативного трения используются утилизированные автопокрышки. Экспериментальные исследования показали, что даже при вертикальных деформациях экрана из автопокрышек более 0,04 м величина осадки сваи оказалась ничтожной, всего 0,02 мм. Автором также разработан свайный фундамент, возводимый на просадочных грунтах. Этот свайный фундамент имеет внешнюю цилиндрическую оболочку. В промежутке между цилиндрической оболочкой и боковой поверхностью сваи располагается спирально-навитой упругий резиновый перекатывающийся жгут. При просадке окружающего грунта внешняя цилиндрическая оболочка перемещается вертикально вниз по перекатывающемуся спиральному жгуту, снимая с боковой поверхности сваи негативное трение. Кроме этого, перекатывающийся спиральный упругий жгут также выполняет функцию сейсмоизолятора.

Перечислены основные недостатки традиционно применяемых методов расчета устойчивости откосов и склонов и представлен метод расчета, в котором впервые, по нашему мнению, сделана попытка построения наиболее опасной «линии скольжения», основываясь на анализе напряженного состояния грунтового массива. Представлены и анализируются три возможных подхода к решению задачи об определении угла наклона наиболее вероятной площадки сдвига в исследуемой точке грунтового массива, основанные на анализе его напряженного состояния. Приведены результаты расчета величины коэффициента запаса устойчивости грунтового откоса методом Л.Г. Фисенко (один из традиционных методов расчета) для двух видов линии скольжения - круглоциллиндрической (классический случай) и построенной по методу Н.С. Никитина с учетом действующих напряжений; и методом В.К. Цветкова - А.Н. Богомолова. Все вычисления выполнены для одного объекта, геометрические параметры которого и численные значения физико-механических свойств слагающего грунта приведены в цитируемой ниже статье С.Н. Никитина. В результате оказалось, что первые два коэффициента запаса устойчивости соответственно равны K 1 = 1,6 и K 2 = 1,75, а значение третьего коэффициента запаса равно K 3 = 2,18. Сравнивая эту величину со значениями коэффициентов запаса устойчивости, вычисленных методом С.Н. Никитина и методом Л. Г. Фисенко, видим, что она больше их соответственно на 26 и 20 %, при этом K 2 > K 1 на 9,4 %. Опираясь на анализ результатов расчетов для рассмотренного в работе примера, можно констатировать, что методы, основанные на анализе напряженного состояния грунтового массива, дают более высокие значения коэффициентов запаса устойчивости, чем традиционно применяемые. Так, величина коэффициента запаса устойчивости откоса, вычисленная методом В.К. Цветкова - А.Н. Богомолова, получилась равной K 3 = 2,18. Сравнивая эту величину со значениями коэффициентов запаса устойчивости, вычисленных методом С.Н. Никитина и методом Л.Г. Фисенко, которые соответственно равны K 1 = 1,75 и K 2 = 1,6, видим, что она больше их соответственно на 20 и 26 %. В это же время K 1 > K 2 на 9,4 % - это указывает на то, что учет напряжений при построении линии скольжения делает ее форму отличной от круглоциллиндрической, что сказывается на величине коэффициента запаса устойчивости.

Объектами исследования являются: ферропыль из самораспадающихся шлаков низкоуглеродистого феррохрома, шлак от выплавки безуглеродистого феррохрома, феррит-кальциевый шлак и жаростойкий бетон. В связи с тем что в бюджете России не предусмотрено финансирование на геологоразведочные и другие изыскательские работы для определения количества и качества сырьевых материалов по производству строительных изделий, необходимо проводить исследования по использованию техногенного сырья. Использование техногенного сырья в производстве материалов строительного направления сводит к нулю многие затраты не только на геологоразведочные разработки, но и на обустройство, включая и эксплуатацию карьеров. Металлургические производства (цветная и черная металлургия) в России выбрасывают в атмосферу третью часть от всех имеющихся выбросов промышленных предприятий, тогда как объем продукции металлургии (цветной и черной) составляет всего 17 % от общего объема отечественный промышленности. В настоящей работе для производства жаростойкого бетона использовались отходы металлургии: в качестве кальцийсодержащего компонента - ферропыль из самораспадающихся шлаков низкоуглеродистого феррохрома, в качестве железосодержащего компонента - феррит-кальциевый шлак - отход переработки медноцинковых концентратов, который представляет собой медленно охлажденный до полного рассыпания материал светло-желтого цвета, напоминающий мелкий песок, а в качестве алюминийсодержащего - шлак от выплавки безуглеродистого феррохрома. Проведенные исследования показали, что в феррит-кальциевом шлаке оксид двухвалентного железа (фаялит) быстро реагирует с Н2РО4 и разогревает смесь до необходимой температуры для появления вяжущих свойств. Исследования показали, что благодаря использованию ортофосфорной кислоты в качестве связующего удается утилизировать до 85 % отходов металлургии и при этом получить жаростойкие бетоны с высокими физико-механическими показателями.