Введение к работе
Актуальность работы. Под воздействием техносферы - зданий и
сооружений, технологического оборудования и транспорта - изменяются напряженное состояние, температура, влажность, химический состав геологической среды. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению эксплуатационных качеств, снижению срока службы, деформациям и даже авариям зданий и сооружений.
В силу того, что инженерными изысканиями, проектированием, строительством и эксплуатацией занимаются специализированные организации, геологическая среда и объекты техносферы часто рассматриваются обособленно, без учета взаимного влияния.
В ходе изысканий, как правило, определяется стандартный набор характеристик грунтов, при этом специфика проектируемых объектов и тип применяемых фундаментов учитываются далеко не всегда. При проектировании часто не принимается во внимание изменчивость геологической среды во времени. Из-за недостатка средств, вьщеляемых на ремонт зданий и сооружений, и, как следствие, износа конструкций, опасность ухудшения свойств геологической среды существенно возрастает. При этом.нормативная база по строительству в условиях старой застройки и оценке технического состояния оснований и фундаментов практически отсутствует.
Одним из путей решения указанных проблем является подготовка территориальных строительных норм для таких геотехногенных систем, как крупные города и региональные центры с прилегающими территориями, где взаимное влияние основания и техногенной среды носит комплексный характер. Научное обоснование норм, разработка технологий, обеспечивающих устойчивое функционирование системы, является задачей, представляющей научный и практический интерес.
В настоящей работе в качестве объекта исследований принят город Архангельск, вместе с примыкающими к нему территориальными образованиями и промышленными предприятиями, возведенный в сложных инженерно-геологических и климатических условиях.
Цель и задачи работы. Целью работы является изучение особенностей взаимодействия основных компонентов геотехногенной системы, научное обоснование проектных решений оснований и фундаментов и разработка технологий, обеспечивающих их устойчивое функционирование.
г 3
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ { БИБЛИОТЕКА |
В соответствии с этим в работе были поставлены следующие задачи:
-
Предложить и апробировать системный подход при подготовке нормативных документов, регламентирующих проектирование, устройство и эксплуатацию оснований и фундаментов зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.
-
Дать оценку геологической среде территории г. Архангельска, создать соответствующую геоинформационную систему инженерно-геологических условий, выполнить районирование по типам оснований и исследовать их поведение при различных техногенных воздействиях.
-
Сформулировать представления о механизме деформирования грунтов при изменении напряженного состояния, влажности и температуры, используя основные закономерности механики дисперсных систем
-
Провести лабораторные и полевые эксперименты по изучению физико-механических и теплофизических свойств основных видов твердых отходов промышленных предприятий г.Архангельска, обосновать возможность их применения в качестве техногенных грунтов.
-
Оценить виды и интенсивность воздействия объектов городской техносферы на геологическую среду, выявить характерные повреждения зданий и сооружений, возникающие при техногенных изменениях геологической среды, оценить их последствия.
-
Наметить эффективные пути повышения устойчивости геотехногенной системы на основе анализа взаимодействия ее главных компонентов. Разработать технологии, обеспечивающие устойчивое функционирование оснований и фундаментов при механических, термических и гидродинамических воздействиях.
-
Разработать концепцию территориальных строительных норм по изысканиям, проектированию и производству работ при устройстве оснований и фундаментов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: 1. Разработаны новые технологии выполнения превентивных и восстановительных мероприятий по обеспечению устойчивого функционирования геотехногенной системы. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами, свидетельствами на полезную модель и патентами на изобретения.
-
Предложена и экспериментально обоснована структурная модель связного грунта, в соответствии с которой расстояние между твердыми частицами грунта определяется соотношением расклинивающего давления разделяющих их пленок связанной влаги и внешнего давления. Модель дает возможность использовать основные закономерности взаимодействия твердой и жидкой фаз для анализа поведения глинистых грунтов при изменении нагрузки, влажности и температуры.
-
Развитие научных представлений о механизме набухания и морозного пучения грунтов позволило обосновать методики исследования указанных процессов и предложить новые классификационные показатели, которые можно применять как для классификации грунтов, так и для расчета деформации оснований.
-
Разработан и экспериментально апробирован практический метод прогноза изменения во времени скорости осадки торфа в основании по данным краткосрочных компрессионных испытаний.
5. Предложены и научно обоснованы новые способы утилизации
твердых отходов лесохимических предприятий. Численным моделирова
нием и полевыми экспериментами доказано, что гидролизный лигнин мо
жет использоваться в качестве грунтового теплоизоляционного материала.
Разработана технология изоляции и рекультивации накопителей промыш
ленных и бытовых отходов с применением материала, представляющего
собой смесь золы ТЭС и обезвоженного активного ила.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждена комплексными лабораторными исследованиями на различных типах грунтов, многолетними инструментальными наблюдениями на опытных площадках, данными статистической обработки результатов, успешной эксплуатацией зданий и сооружений, при проектировании, реконструкции и ремонте которых использовались разработки автора.
Практическая значимость работы. В результате обобщения и систематизации данных изысканий, лабораторных и полевых экспериментов, длительных стационарных наблюдений создана геоинформационная система инженерно-геологических условий г. Архангельска, включающая базу данных физико-механических свойств грунтов. Выполнено районирование территории по характерным типам инженерно-геологических условий. Получены региональные таблицы характеристик деформационных и прочностных свойств глинистых грунтов. Использование указанных материа-
лов позволяет существенно (в 2-5 раз) сократить затраты на изыскания, повысить эффективность проектируемых фундаментов, подземных и транспортных сооружений.
Разработаны, изготовлены и внедрены в практику изысканий приборы для измерения деформаций набухания и морозного пучения грунтов.
Практически доказана эффективность предложенных технических решений по закреплению переувлажненных глинистых грунтов буросме-сительным способом, устройству комбинированных грунтоцементных свай при реконструкции зданий, усилению фундаментов буронабивными и бу-роинъекционными сваями.
На основе анализа и систематизации данных длительных наблюдений, обследования зданий и сооружений разных лет постройки, опыта усиления их оснований и фундаментов, результатов исследований грунтов и твердых отходов промышленных предприятий города по поручению администрации Архангельской области разработана концепция территориальных строительных норм «Основания и фундаменты. Проектирование и производство работ в г. Архангельске». Предложенная в работе методология оценки устойчивости геотехногенной системы и подготовки территориальных строительных норм может быть использована для других городов и крупных промышленных комплексов, находящихся в сходных инженерно-геологических условиях.
Реализация работы. Приборы и методики исследования деформации пылевато-глинистых грунтов при увлажнении внедрены в центральной лаборатории объединения «Архгеология», при промерзании использовались при проведении изысканий на стадионе «Труд», на площадке строительства ТЭЦ-2 в Архангельске.
Предложенное техническое решение по закреплению переувлажненного набухшего грунта буросмесительным способом позволило осуществить реконструкцию экономайзера на ТЭЦ-2 Архангельского ЦБК. При реконструкции Архангельского водорослевого комбината и грузового двора станции «Архангельск-город» реализован способ устройства комбинированных грунтоцементных свай в торфяных грунтах. Осуществлены проекты усиления фундаментов школы мореходного обучения, реконструкции стены с устройством буроинъекционных свай на воинском мемориале, устройства буронабивных свай в пристройке технического университета и др.
Результаты обследования и рекомендации по усилению стен и фундаментов были учтены при дальнейшей эксплуатации и разработке проектов реконструкции нескольких десятков зданий и сооружений в г. Архангельске: музея, филармонии, ликеро-водочного завода, школы-интерната № 1, школы № 26, торговых центров «Полюс», «Полярный», «Форум», административных зданий АК «Алроса», «Телеком XXI век» и др.
Разработаны рекомендации по использованию гидролизного лигнина, смесей золы ТЭС и обезвоженного активного ила в качестве техногенных грунтов. Материалы исследований лигнина внедрены при возведении из этого материала ограждающей дамбы на Онежском гидролизном заводе, золы ТЭС - на Архангельском ЦБК.
Материалы исследований нашли отражение в учебном пособии, рекомендованном к использованию Министерством образования РФ, в методических указаниях и курсах лекций по дисциплинам «Инженерная геология», «Основания и фундаменты», «Инженерная геокриология». Ряд сформулированных выше положений и методик исследований реализован в кандидатских диссертациях В.В. Коптяева и СЕ. Аксенова, выполненных под руководством автора данной работы, а также И.Ю. Заручевных, у которой автор выступал в роли научного консультанта.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях «Проблемы свайного фундаментостроения» (Пермь, 1994), «Проблемы развития строительного комплекса в условиях становления рыночных отношений» (Архангельск, 1997), «Математическое моделирование в механике деформируемых тел» (Санкт-Петербург, 1998), «Геодинамика и геоэкология» (Архангельск, 1999), «Геотехника Поволжья-99» (Йошкар-Ола, 1999), «Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия» (Пенза, 1999), «Реконструкция и ремонт зданий и сооружений в климатических условиях Севера» (Архангельск, 1999), «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля» (Пенза, 2000), «Геотехника: оценка состояния оснований и сооружений» (Санкт-Петербург, 2001), «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001), «Градоформирующие технологии XXI века» (Москва, 2001), «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пермь, 2001), «Строительство и реконструкция деревянных жилых домов» (Архангельск, 2002), «Реконструкция исторических
городов и геотехническое строительство» (Санкт-Петербург, 2003), «Опыт строительства» и эксплуатации зданий и сооружений на слабых грунтах» (Архангельск, 2003); на-международных симпозиумах «Реконструкция, Санкт-Петербург» (Санкт-Петербург, 1992 и 1994); международных семинарах «Строительство в северных климатических условиях» (Оулу, Финляндия, 1995 и 1996),- «Механика грунтов, фундаментостроение и транспортные сооружения» (Пермь, 2000); на республиканских конференциях «Учебно-исследовательские системы автоматизированного проектирования объектов архитектуры и строительства» (Ростов-на-Дону, 1990), «Механика грунтов и фундаментостроение» (Санкт-Петербург, 1995), а также на научно-технических конференциях и семинарах в Балаково (1982), Пензе (1984; 2001), Северодвинске (1996), Санкт-Петербурге (2002), Архангельске (1977-2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 115 работ, в том числе 14 авторских свидетельств, свидетельств на полезную модель и патентов; 1 учебное пособие (Москва, 2000) и монография (Архангельск, 2002). Список 42 основных публикаций приведен в автореферате.
Личный вклад автора. В работе обобщены материалы изыскательских организаций г. Архангельска, опыт местного строительства, результаты многолетних (1976-2003 гг.) исследований автора, выполненных на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов Архангельского государственного технического университета (ранее АЛТИ). Все теоретические исследования и большая часть лабораторных и полевых экспериментов выполнены автором лично.
Обследование оснований и. фундаментов, работы по их усилению проводились совместно с НЛ.Коваленко, ДД.Козминым, В.И.Раковским, А.В. Заручевных. Экспериментальные исследования твердых промышленных отходов, торфа, деревянных свайных фундаментов, а также обработка данных инженерно-геологических изысканий выполнены автором с аспирантами СЕ. Аксеновым,. И.Ю. Заручевных, В.В. Коптяевым А.В. Никитиным и инженером-геологом В.Н. Кубасовым. Материалы этих исследований вошли в совместные публикации и отчеты.
На защиту выносятся:
Результаты обобщения и анализа материалов инженерно-геологических изысканий, данных длительных стационарных наблюдений
за осадкой территории, уровнем грунтовых вод, сезонным промерзанием и морозным пучением грунтов на территории г. Архангельска.
Структурная модель грунта, позволяющая использовать основные закономерности взаимодействия твердой и жидкой фаз для анализа поведения грунтов при изменении нагрузки, влажности и температуры.
Методика прогноза изменения скорости осадки торфа в основаниях насыпей во времени по данным краткосрочных компрессионных испытаний.
Приборы, методики и результаты лабораторных- исследований набухающих и пучинистых грунтов, а также их классификационные показатели.
Новые технологии, устройства, конструкции, позволяющие повысить устойчивость рассматриваемой геотехногенной системы.
Концепция территориальных строительных норм по изысканиям, проектированию и производству работ при устройстве оснований и фундаментов.
Структура и объем диссертации. Работа включает введение, пять
