Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема строительства зданий и сооружений на лессовых про-садочных, набухающих глинистых, рыхлых, песчаных и мягких глинистых грунтах требует обеспечения структурной устойчивости и достаточной прочности к особому виду деформации от динамических и термосиловых воздействий, а также ликвидации просадочных и набухающих свойств грунтового массива в ограниченном объеме. Источниками этих особых деформаций являются увлажнение водой различной температуры (от сети водопроводов и канализаций, интенсивных атмосферных осадков, магистральных теплотрасс, местных отопительных систем, производственных и технологических стоков), динамические (от вибрации транспортных средств и промышленных машин и механизмов) и термосиловые (от промышленных печей и тепловых сооружений) воздействия.
Анализ существующих литературных источников показывает, что влияние горячей воды при увложнении и высокие температурные выделения тепловыми сооружениями на напряженно-деформированных состояний грунтовых массивов и фундаментов недостаточно изучены, хотя они являются главными факторами возникновения и развития просадочных деформаций.
Как известно, тепловые сооружения и промышленные печи широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Стабильность работы тепловых сооружений и промышленных печей обеспечивает развитие всех отраслей народного хозяйства. Однако никакие инженерные сооружения не могут быть такими чувствительными к авариям, разрушениям и взрыв.
Проведенные многочисленные обследования и экспертные заключения по поводу выявления причин аварий и преждевременных разрушений различных тепловых сооружений и промышленных печей показали, что основными причинами является отрицательное влияние термосиловых воздействий на физико-механические и деформационные характеристики грунтового массива, ограниченного объема, и фундаментов. Аналогичная ситуация возникает на горных предприятиях, где вскрышные породы лессовых и глинистых грунтов, а также подземные выроботки подвергаются регулярным воздействиям массовых взрывов и динамических вибраций, что отрицательно в ли-
6 лет на долговечность наземных зданий и сооружений. Совокупность вышеперечисленных факторов составляет актуальность проблемы.
Решение задач формирования новых инженерно-геологических характеристик лессовых просадочных, глинистых, набухающих, мягких глинистых и рыхлых песчаных грунтовых массивов ограниченных размеров, обеспечивающих безаварийную эксплуатацию современных сооружений различного назначения при термосиловых, динамических и других воздействиях предопределяет научный и практический аспект основных положении диссертационной работы.
Решению этой крупной и сложной научно-технической проблемы посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы. Научное обоснование оптимальных технологических решений по динамической и термосиловой стабилизации структурированных просадочных, набухающих и рыхло-песчанных грунтовых массивов ограниченных размеров, обеспечивающих эксплуатационную надежность зданий и сооружений; на основе комплексных экспериментально-теоретических исследований грунтовых оснований и фундаментов при термосиловом и динамическом воздействии; совершенствование теории расчета на прочность, деформативность и долговечность грунтовых массивов ограниченных размеров и фундаментов.
Задачи исследований:
Выявление закономерности изменения инженерно-геологических параметров грунтового массива при динамическом и термосиловом воздействии;
Установление рациональных схем и методов уплотнения грунтовых массивов с использованием энергии взрыва в тиксотропной среде, вибрационно-динамических нагружений и увлажнения водой с высокой температурой;
Установление возможных форм, частоты и амплитудно-временных показателей, а так же спектральных функционалов колебательных процессов от ударных импульсов взрыва, вибрационных и термосиловых нагружений в грунтовом массиве;
Разработка рациональных схем и методов расчета совместной работы грунтового основания и фундамента с учетом просадки, набухания и изменения коэффициента постели от термосиловых и динамических воздействий;
Изучение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и фундамента при динамических кратковременных, длительных, циклических и программных '/ермоелдовьгл нагружениях.
Анализ'и выбор математических методов к закономерностей, облегчающих процесс расчета совместной работы фундаментов с грунтовым массивом ограниченных размеров при термосиловых и динамических нагружениях.
Основная научная идея работы заключается в использовании грунтовых массивов ограниченных размеров из просадочных, набухающих и песчанных грунтов, закрепленных динамическими и термосиловыми методами как основания в учете отрицательных влияний этих нагружении при совместной работе грунтов с фундаментом.
Методы исследования. Решение поставленных в работе задач выполнено путем анализа и обобщения теории и практики формирования свойств грунтовых массивов, состоящих из рыхлых песчаных просадочных и набухающих глинистых грунтов динамическими и термо силовыми нагружениями; аналитических исследований по определению оптимальных параметров закрепления грунтового массива, обладающего достаточной прочностью; экспериментальных исследований процессов формирования новой структуры под воздействием энергии взрыва, вибрационных и термосиловых нагружении; экспериментально теоретических исследований напряженно-деформированного состояния грунтового массива и фундаментов при термосиловых и динамических воздействиях; обработки результатов исследований с применением методов статистики и теории вероятности.
На защиту выносится решение актуальной проблемы обеспечения прочности рыхлых песчанных, лессовых просадочных и набухающих глинистых грунтов в массивах ограниченных размеров путем регулирования структурно-механических характеристик за счет уплотнения энергией взрыва в тиксотропной среде, глубинными виброинъекционными и термосиловыми воздействиями, напряженно-деформированного состояния грунтового массива и фундамента при этих нагружениях.
Научная новизна работы.
Путем комплексных экспериментально-теоретических исследований установлена динамика просадки и набухания глинистых грунтов в процессе увлажнения водой с различной температурой из источника теплотрассы и стока тепловых сооружений; аппроксимированых формах просадки и набухания при различных расположениях очагов увлажнения под фундаментом и разработаны методы расчета "экви
s валентной нагрузки", действующей на фундамент с учетом этих явлений; получение реологические параметры просадочных и набухающих грунтов при увлажнении водой различных температур, которые позволяют совершенствовать теорию наследственной ползучести с учетом термосилового фактора.
Исследовано влияние высокой температуры от тепловых сооружений на куполообразный подъем подземных вод с помощью силы натяжения капилляров мениска просадочного и набухающего грунта, которые, вторгаясь в активную зону, создают дополнительное напряженно-деформированное состояние грунтового массива и могут быть причиной разрушения сооружений даже без поверхностного увлажнения.
На основании экспериментально-теоретических исследований получена кинетика развития новообразований в лессовом просадочном и песчанном грунте в процессе рационального использования энергии взрывного импульса в тиксотропной среде; динамического глубинного гидровибрирования и виброинъектирования закрепляющих реагентов, позволяющей формировать заданные физико-механические свойства грунтового массива; проанализированы напряженно-деформированнные состояния, определены компоненты напряжений и деформаций при динамических и термосиловых воздействиях; смоделированы возможные колебательные формы взрывного импульса, гидровибрационных и виброинъекционных спектральных функции распределения амплитудных и частотных характеристик, которые позволяют совершенствовать теорию расчета и технологию строительства.
Экспериментально-теоретическим путем проанализировано влияние высокой температуры (от источника взрыва и постоянно эксплуатируемых тепловых сооружений) на массив грунта и тела фундамента; определены пределы возникновения и развития сжимающих и растягивающих напряжений, температурное поле термонапряжения и температурные деформации; для определения компонентов напряжений и деформаций исследованы теплофизические и деформационные параметры грунта и составляющих материалов фундамента, аппроксимированы формы температурно-колебательных процессов, подчиняющимся гармоническим законам синуса, параболы, гиперболы; вычислены частоты, амплитуды, периоды и декременты затухания; выявлены эффекты ликвидации просадочньк свойств грунта термосиловым и динамическим воздействием, совокупность которых позволяет совершенствовать теорию термодинамических расчетов применительно к грунтовым массивам ограниченного объема и строительного комплекса.
Предложенные расчетные модели, формулы и методы при одноосном, двуосном, и объемном термосиловом и динамическом сжатии позволяют определить компоненты напряжений и деформаций в грунтовом массиве ограниченного объема и тела фундамента в широком интервале этих воздействий; экспериментально изучены и аппроксимированы явления термоползучести и релаксации температурных напряжений, как "температурно-временная аналогия в линейной и нелинейной постановке задач, результаты которых могут быть использованы для совершенствования теории наследственности, применительно к сыпучим и сплошным средам, с учетом температурно-силового эффекта.
Предложены расчетные формулы длительной прочности при термосиловых воздействиях, которые позволяют определить в различных вероятностях разрушения фундаментов и грунтовых массивов и т.Д-
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обоснована: большим объемом экспериментальных исследований в лабораторных, заводских, натурных и полевых условиях, их аналитическим обобщением и теоретическим обоснованием, обширным опытом применения на объектах промышленного, гражданского, сельскохозяйственного строительства, и тепловых сооружениях, достаточным объемом внедрения рекомендации работы с получением существенного экономического эффекта.
Практическая ценность работы:
Разработаны инженерные методы расчета параметров взрывных работ в тиксогропной среде и глубинных вибрирований при уплотнении просадочных, набухающих и рыхло-песчаных породных массивах, учитывающие исходные грунтовые условия с обеспечением безопасной эксплуатации подземных и наземных сооружений.
На основе установленной кинетики образования и развития новых деформационных и прочностных свойств грунтовых массивов ограниченных размеров энергией взрыва, гидровибрационного, виброинъекционного и термосилового эффекта разработаны практические приемы и последовательность закрепления грунта с ликвидацией просадочных и набухающих свойств.
Разработаны и утверждены директивными органами рекомендации и инструктивно-нормативные документы по реализации мероприятий, обеспечивающих долговечность зданий и сооружений.
Апробация работы. Основные научные и практические положения работы доложены и одобрены на научных семинарах, конференциях и симпозиумах научно-исследовательских, проектно-конс
трукторских институтов, высших учебных заведений и производственных объединений, в т.ч. НИИСК Госстроя СССР (г.Киев, 1978г.), НИИСМИ (г.Киев, 1979г.), Общество "Знание УССР", (г.Киев, 1978г.), АзИСИ (г.Баку, 1980, 1982, 1986, 1989гг.), ЦНИИСК им.Будникова (г.Москва, 1984г.), ЦНИИЭПссльстроя (г.Москва, 1982г.), Киевпроекта (г.Киев, 1976, 1988гг), ВЗИСИ (г.Москва 1989г.), МИСИим.Куйбышева (г.Москва, 1989г.), КИСИ (г.Киев, 1980г.), УкрНИИГипросельхоза (г.Киев, 1977г.), Киевсельхозпроекта (г.Киев, 1977г.), НИИСМ им. Дадашева (г.Баку, 1990г.), Корчеватского комбината строительных материалов и конструкций (г.Киев, 1978, 1986іт.), Подольского завода стеновых материалов и конструкции (г.Киев, 1989,1994гг), КаспморНИИПроекта (г.Баку, 1994г.), П Украинскиой научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (г.Полтава, 1995г.), расширенном заседании совета Горнотехнического факультета национального технического университета Украины (КПИ), (г.Киев, 1995г.).
В полном объеме диссертация докладывалась на расширенном заседании кафедры "Железобетонные и каменные конструкции ВЗИСИ (г.Москва, 1989г.), на расширенном заседании совета Подольского завода стеновых материалов и конструкций Киевского Горисполкома (г.Киев, 1994г.), на расширенном заседании кафедры "Механика грунтов, основания и фундаменты" Азербайджанского инженерно-строительного университета (г.Баку, 1992, 1994г.), на расширенном совете кафедры "Подземное строительство" Горнотехнического факультета Национального технического университета Украины (КПИ, г.Киев 1995г.).
Реализация результатов исследований в промышленности.
Внедрение результатов исследовании осуществлялось в 1974-1994гг. при разработке мероприятий по строительству, ремонту, реконструкции и восстановлению деформированных объектов сельскохозяйственного, промышленного, гражданского и теплоэнергетического назначения Украины и Азербайджана. Практические рекомендации работы приняты для применения проектными и производственными организациями Главкиевгорстроя, Киевсельстрой, Облмежколхозстрой, Бориспольсельстрой, Броварысельстрой, Подольский завод СМиК (г.Киев), Киевпроект, Облмежколхозлроект (г.Киев), Укрсельхозпроект, АзГОСПРОЕКТ (г.Баку), КиевЗНИЭП, Корчеватский комбинат СМиК (г.Киев), АзГОСсельстой (г.Бэку), Сумгаитский трубопрокатный завод, и т.д.
Публикащт. По теме, диссертации опубликовано 26 научных трудов, в т.ч. 4 монографии, 8 нормативных документов, 4 методических указания, 1 учебник. Общее количество смежных трудов более 50, большое количество документов по обследованию аварий, разрушений и деформированных строительных объектов, написаны в виде научных отсчетов хоздоговорной и госбюджетной тематике более 4-х тыс. страниц машинописного текта и регистрированы ВНИИНТПИ, г. Москва, результаты, которые внедрены для различных объектов народного хозяйства со значительными экономическими эффектами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа (введение, 8 глав, заключение, приложения) изложена на 40 страницах машинописного текста, 53 рисунков, 10 таблиц, содержит список отечественной и зарубежной литературы из 100 наименований.