Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Этапы изучения и освоения вечной мерзлоты 10
1.2 Геокриологические условия Якутии 12
1.3 Фундаменты на вечномерзлых грунтах 14
1.4 Изучение и опыт применения ребристых свай 29
Выводы по главе 37
Глава II. Результаты обследований технического состояния зданий и сооружений в геокриологических условиях Якутии 40
2.1 Методика обследований 40
2.2 Дефекты и повреждения зданий и сооружений, построенных по принципу I 43
2.3 Дефекты и повреждения зданий и сооружений, построенных по принципу II 58
2.4 Разработка методики для экспертной оценки поврежденности эксплуатируемого здания или сооружения 68
Выводы по главе 76
Глава III. Экспериментальные исследования несущей способности мерзлых грунтов основания по боковой поверхности ребристых свай 78
3.1 Методика испытаний несущей способности мерзлых грунтов основания по боковой поверхности ребристых свай 78
3.1.1 Методика испытаний моделей свай на статические вдавливающие нагрузки 78
3.1.2. Методика испытаний моделей свай на условно-мгновенную прочность грунтов 83
3.2 Исследование характера передачи нагрузки к мерзлым грунтам основания с помощью ребристых свай 85
Выводы по главе 95
Глава IV. Экспериментальные исследования несущей способности мерзлых грунтов основания по боковой поверхности ребристых свай и грунтовых растворов – заполнителей скважин 96
4.1. Методика определения прочностных и технологических свойств грунтовых растворов - заполнителей скважин 96
4.1.1 Определение температуры и продолжительности замерзания грунтовых растворов 96
4.1.2 Определение сопротивления грунтовых растворов сдвигу по поверхностям смерзания 98
4.1.3 Изучение миграции влаги в грунтовых растворах и льдообразования на поверхностях смерзания 100
4.2 Определение технологических и прочностных характеристик грунтовых растворов – заполнителей скважин 101
4.2.1 Определение марочной прочности, подвижности и плотности грунтовых растворов 103
4.2.2 Исследование температуры и продолжительности замерзания грунтовых растворов 111
4.2.3 Определение прочностных характеристик грунтовых растворов сдвигу по поверхностям смерзания с грунтом и поверхностью фундамента 114
4.2.4 Определение несущей способности ребристых свай в различных грунтовых растворах 116
4.2.5 Исследование процесса миграции влаги в грунтовом растворе 117
Выводы по главе 120
Глава V. Оценка технико-экономической эффективности предлагаемых решений по повышению степени использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания свайных фундаментов 122
5.1. Анализ рынка и рисков, потенциальных потребителей 122
5.2 Сравнение технико-экономических показателей грунтовых растворов 125
5.3.Перспективы развития строительной отрасли и расчет экономического эффекта от внедрения ребристых свай 130
Выводы по главе 133
Основные выводы 134
Список литературы 136
- Фундаменты на вечномерзлых грунтах
- Разработка методики для экспертной оценки поврежденности эксплуатируемого здания или сооружения
- Определение марочной прочности, подвижности и плотности грунтовых растворов
- Сравнение технико-экономических показателей грунтовых растворов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время подавляющее большинство зданий и сооружений в криолитозоне возводится на буроопускных сваях с сохранением мерзлого состояния грунтов основания. В предварительно пробуренную на определенную глубину скважину опускают сваю, а пространство между сваей и стенками скважины заполняют грунтовым раствором и выдерживают до смерзания с окружающими грунтами. Нагрузка от сооружения передается на грунты основания через нижний конец сваи и боковую ее поверхность. Удельные силы смерзания боковой поверхности сваи с заполнителем скважины на порядок меньше сопротивления мерзлого грунта нормальному давлению. Вследствие этого при многократном превышении площади рабочей части боковой поверхности сваи над площадью нижнего ее конца суммарная нагрузка, передаваемая через нее на окружающие мерзлые грунты, всего лишь в несколько раз больше суммарной нагрузки, передаваемой через нижний конец сваи.
Таким образом, существенным недостатком широко применяемых в настоящее время буроопускных висячих свай с гладкой боковой поверхностью, опирающихся на сжимаемые мерзлые грунты, является низкая степень использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтовых оснований.
Определенную роль в формировании величины нагрузки, передаваемой от боковой поверхности буроопускных висячих свай к окружающим мерзлым грунтам основания, играет вид раствора, заполняющего пространство между боковой поверхностью свай и стенками скважин. В настоящее время еще недостаточно изучены удельные силы смерзания грунтовых растворов с поверхностью ребристых (или аналогичных) свай.
Необходимость повышения эффективности использования потенциальной несущей способности многолетнемерзлых грунтов основания буроопускных висячих свай и необходимость дополнительного изучения механических свойств и технологических характеристик грунтовых растворов - заполнителей скважин определяют актуальность выполненных исследований.
Цель диссертационной работы – исследование несущей способности мерзлых грунтов основания ребристых буроопускных свай. Для решения поставленной цели необходимо:
– провести обследование технического состояния зданий и сооружений на территории Якутии с различными геокриологическими условиями и выявить основные причины возникновения дефектов и повреждений, предложить методику экспертной оценки поврежденности системы «основание-фундамент» эксплуатируемых зданий и сооружений;
– изучить существующие способы повышения эффективности использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания свайных фундаментов висячего типа, проанализировать методы
расчета несущей способности многолетнемерзлых грунтов основания висячих свай и предложить формулу расчета основания ребристых свай;
– провести экспериментальные исследования несущей способности мерзлых грунтов основания свайных фундаментов выбранного конструктивного решения;
– исследовать прочностные свойства и технологические характеристики грунтовых растворов-заполнителей пространства между сваей и стенками скважины;
– оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых решений по повышению степени использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания свайных фундаментов висячего типа.
Научная новизна
– экспериментально подтверждена возможность повышения эффективности использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания по боковой поверхности свай;
– экспериментально установлена зависимость величины передаваемой нагрузки на мерзлые грунты основания от геометрических параметров ребристых свай;
– исследованы прочностные свойства и технологические характеристики грунтовых растворов - заполнителей скважин при устройстве ребристых свай по буроопускной технологии;
- предложена методика экспертной оценки поврежденности системы «основание-фундамент» эксплуатируемых зданий и сооружений;
Защищаемые положения:
– Экспериментальное подтверждение эффективности использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания буроопускных свай оребрением боковой их поверхности.
– Закономерности изменения несущей способности мерзлых грунтов основания ребристых буроопускных свай от изменения угла наклона и шага ребер.
– Влияние прочностных и технологических свойств грунтовых растворов на основе известкового и песчаного вяжущих на несущую способность ребристых буроопускных свай.
Практическая значимость работы
– ребристые сваи с рекомендуемыми параметрами ребер по сравнению со сваями с гладкой боковой поверхностью существенно повышают нагрузку, передаваемую на мерзлые грунты основания по боковой их поверхности;
– внедрение в практику строительства на многолетнемерзлых грунтах ребристых свай повысит устойчивость зданий и сооружений и снизит затраты на устройство конструкций нулевого цикла;
– использование грунтовых растворов с оптимально подобранным составом приведет к снижению затрат на устройство буроопускных свай и повышению несущей способности основания по боковой поверхности свай.
Достоверность полученных результатов
Теоретические предпосылки подтверждены данными обследования в 2011-2018 гг. технического состояния эксплуатируемых и строящихся зданий и сооружений в различных геокриологических районах Якутии, результатами экспериментальных исследований несущей способности моделей свай в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН в 2014-2018 гг., а также исследованиями прочностных свойств и технологических характеристик грунтовых растворов – заполнителей скважин, проведенных в 2014-2018 гг. в лабораториях Инженерно-технического института СВФУ.
Апробация работы. Результаты работы доложены на II Международном форуме технологического развития «Технопром» (г. Новосибирск, 2013 г.); на научной конференции «Лаврентьевские чтения» в 2012, 2013 (II место в секции «Технические науки») и 2015 гг.; на Международной конференции «Ломоносов-2016» в МГУ им. М.К.Ломоносова («Лучший доклад» секции «Геокриология»); на Всероссийском форуме молодых ученых (г. Екатеринбург, 2017 г.); в Университете Хоккайдо (г. Саппоро, Япония, 2015 г.) в рамках стажировки по «Программе подготовки экспертов для руководящей роли в области экологии, культуры и устойчивого развития в регионах Дальнего Востока и Заполярья – RJE3»; на «Международном симпозиуме по проблемам инженерного мерзлотоведения» в г. Магадане в 2017 г. (отмечен «Лучшим докладом» среди молодых ученых в секции «Тепловое и механическое взаимодействие мерзлых грунтов и инженерных сооружений в криолитозоне»); на конкурсе на соискание «Гранта Главы РС (Я) для молодых ученых, специалистов, студентов» (выигран Грант на сумму 300 тыс. руб.); на Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Геонауки: проблемы, достижения и перспективы развития» в г. Якутске (отмечен Дипломом I степени в секции «Гидрология, гидрогеология, инженерная геология и геокриология»).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Общий объем диссертации 150 страниц.
Работа выполнялась в Северо-Восточном федеральном университете имени М.К. Аммосова и Институте мерзлотоведения имени П.И. Мельникова СО РАН в рамках целевых программ и хоздоговорных работ. В Институте мерзлотоведения работа выполнялась в рамках проекта IX.135.2.3. «Формирование геокриологической среды и ее роль в функционировании природно-технических систем». Обследования технического состояния зданий и сооружений проведены в рамках договора №1239д-10/6.1 между СВФУ и АК «АЛРОСА» «Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности» Тема 6. «Повышение надежности
производственных конструкций», Работа 6.1. «Разработка руководства по технической эксплуатации строительных конструкций Обогатительных фабрик АК «АЛРОСА», по научно-исследовательской работе «Модернизация научно-исследовательного процесса и инновационной деятельности», тема 2.12 «Исследование и обеспечение устойчивости и безопасности зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах в условиях изменения климата и сейсмической активности», наименование работ: 2.11.9 «Оценка технического состояния, моделирование и расчет крупнопанельных зданий с учетом воздействий техногенного и природно-климатического характера» и 2.11.7 «Изучение действительной работы и разработка методики расчета фундаментных конструкций с учетом температурно-влажностных воздействий», а также по теме «Исследование оптимальных конструктивных и технологических решений в строительстве зданий, эксплуатируемых в условиях Севера, позволяющих снизить стоимость жилищного строительства в Республике Саха (Якутия)» (в рамках договора СВФУ им. М.К. Аммосова и ГАУ «Центр стратегических исследований»).
Автор считает необходимым выразить искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., члену-корреспонденту Российской инженерной академии, доценту Кузьмину Г.П., научному консультанту к.т.н., доценту Саввиной А.Е., директору Инженерно-технического института СВФУ д.т.н., доценту Корнилову Т.А., директору Института мерзлотоведения СО РАН д.г-м.н. Железняку М.Н., зав. кафедрой «Промышленное и гражданское строительство» ИТИ СВФУ к.т.н., доценту Посельскому Ф.Ф., главному научному сотруднику лаборатории Инженерной геокриологии д.т.н., члену Российской инженерной академии Чжан Р.В., а также коллективу кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ИТИ СВФУ и коллективу лаборатории Инженерной геокриологии ИМЗ СО РАН.
Фундаменты на вечномерзлых грунтах
Прочность мерзлых грунтов зависит от многих факторов. Н.А. Цытовичем выделяются три вида внутренних связей в мерзлых грунтах, от которых зависит их прочность [120,122]:
1. Чисто молекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса-Лондона) в контактах твердых минеральных частиц грунтов, величина которых зависит от площади непосредственных контактов, расстояния между минеральными частицами, их уплотненности и физико-химической природы частиц.
2. Льдоцементные связи – главнейшие связи, почти полностью обуславливающие прочностные и деформативные свойства мерзлых грунтов.
3. Структурно-текстурные связи, зависящие от условий образования, формирования и последующего существования мерзлых и вечномерзлых грунтов.
В связи с наличием льдоцементных связей мерзлым грунтам присущи реологические свойства, связанные с развитием деформации [21]. Реологические процессы проявляются в виде ползучести, релаксации напряжений и снижения прочности при длительном действии нагрузок.
Снижение прочности при длительном приложении нагрузки может доходить до 5-15 раз даже при постоянной нагрузке [26] и наступает через достаточно длительное время даже в связных грунтах. Поэтому различают мгновенную прочность (когда время приложения нагрузки стремится к нулю) и предельно-длительную (время приложения нагрузки стремится к бесконечности).
Выделяются следующие виды ползучести [28]:
- затухающая ползучесть, заканчивающаяся стабилизацией деформации;
- «вековая» ползучесть, при которой скорость деформации затухает, тогда как сама деформация неограниченно нарастает;
- условно-установившаяся ползучесть в виде пластично-вязкого течения;
- прогрессирующая ползучесть, приводящая к разрушению.
Цытович Н.А. впоследствии выделил 2 отдельных класса ползучести грунтов [121]: I – затухающую ползучесть и II – незатухающую ползучесть. I класс обуславливает собой напряжения мерзлого грунта, не превышающие некоторого определенного для данного физического состояния грунта и данной его отрицательной температуры предела. При затухающей ползучести происходит образование микротрещин и перемещение частиц скелета, которое впоследствии приводит к «залечиванию» повреждений структуры и уплотнению нарушенных связей, усилению существующих и возникновению новых. При увеличении напряжений грунта сверх этого предела происходит возникновение незатухающих (II класс) во времени необратимых структурных деформаций. В этом случае преобладает процесс разупрочнения, который в основном завершается разрушением [28].
Например, для плотных глинистых грунтов со смешанными коагуляционными и кристаллизационными связями, а также для полускальных и слабых скальных пород с кристаллизационными связями преобладает стадия затухающего деформирования. При этом переход от затухающего к прогрессирующему деформированию наблюдается в большинстве случаев без стадии установившегося течения, когда относительная продолжительность прогрессирующей стадии невелика, а разрушение бывает преимущественно хрупким. Для полускальных и слабых скальных пород определяющую роль играет характер цементирующих связей. Если цементное вещество обладает выраженными реологическими свойствами, то эти свойства будут проявляться для всей породы в целом. В случае мерзлого грунта цементным веществом является лед, представляющий собой образец классического нелинейно-вязкого тела. По этой причине поведение мерзлого грунта отображается типичными кривыми ползучести со всеми стадиями, свойственными этому процессу для классических ползучих сред, с переходом в прогрессирующую стадию при нагрузках, величина которых может составлять 10-25% от мгновенной прочности.
По СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» [98] при строительстве на многолетнемерзлых грунтах применяются следующие принципы использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания зданий и сооружений:
I принцип - многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течении всего периода эксплуатации здания или сооружения;
II принцип – многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения здания или сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации здания или сооружения).
При строительстве зданий в условиях вечномерзлых грунтов Якутии (особенно в Центральной части) преимущественно применяется I принцип использования вечномерзлых грунтов. Для сохранения мерзлого состояния грунтов предусматривают мероприятия для уменьшения теплового воздействия здания или сооружения на грунты: устройство проветриваемых подполий, охлаждающих труб, применение холодных первых этажей, сезонно-действующих охлаждающих устройств и т.д. В условиях скальных или других малосжимаемых при оттаивании грунтов используется II принцип. При использовании II принципа предпосылками расчета предусматривается предварительное оттаивание или оттаивание грунта во время эксплуатации.
Цытович Н.А. [122] выделяет три метода, применяемых при проектировании и расчете оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах: метод сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований, метод конструктивный (учета осадок оттаивания грунтов при расчете фундаментов по предельным деформациям оснований) и метод предпостроечного оттаивания и упрочнения оснований.
В Якутии применение II принципа преимущественно распространено в северной части Средне-Сибирского плоскогорья. В этом районе сосредоточены алмазные месторождения, поэтому с 60-х гг. прошлого века здесь развивается промышленное и жилищное строительство. Приведенные выше инженерно-геологические условия стали причиной массового использования для строительства промышленных зданий свай-стоек и столбчатых фундаментов, которые опираются на малосжимаемые коренные породы, по принципу допущения оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания с устройством бетонных полов по грунту. В жилищном строительстве в большинстве случаев используются буроопускные висячие сваи, опирающиеся на более слабые верхние породы. Также во всех рассмотренных геокриологических районах распространено применение ленточных и плитных фундаментов для малоэтажного строительства.
Применение II принципа также широко распространено в других геокриологических районах республики для использования в малоэтажном строительстве. Для этого устраиваются ленточные или плитные железобетонные фундаменты, опираемые на предварительно подготовленное основание. Тем не менее, как показали результаты обследований (глава II), применение данного метода может привести к аварийным ситуациям. Применение плитных фундаментов на вечномерзлых грунтах других регионов также показали ненадежность данного метода: здания деформировались, а необходимость замены грунта на значительную глубину делает этот способ фундаментостроения дорогим и трудоемким [10].
Наиболее рациональными для малоэтажного строительства, на наш взгляд, могут быть малозаглубленные или поверхностные фундаменты, используемые по принципу сохранения мерзлого состояния оснований [39,50,86]. Например, Гончаров Ю.М. [32, 33] предлагает использовать фундаменты-оболочки для малоэтажного строительства с использованием грунтов основания по I принципу. Сохранение мерзлоты достигается тем, что верхняя сторона фундамента образует систему вентиляционных каналов. Нижняя сторона фундамента увеличивает поверхность взаимодействия с вечномерзлыми грунтами. Способ изготовления предусматривает предварительную отсыпку территории послойно песчано-гравийной смесью с уплотнением гружеными самосвалами с последующим устройством цементно-песчаных вкладышей под внутренние полости фундамента оболочки. После этого ставятся сборные железобетонные элементы.
Разработка методики для экспертной оценки поврежденности эксплуатируемого здания или сооружения
После введения в 1997 г. федерального закона 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» здания и сооружения на опасных производственных объектах подлежат экспертизе промышленной безопасности, проводимой не реже, чем раз в пять лет. Согласно приказа Ростехнадзора от 14.11.2013 №538 в заключении экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений дополнительно производится определение остаточного ресурса (срока службы) здания или сооружения. Для определения остаточного ресурса эксплуатируемого здания или сооружения необходимо предварительно определить физический износ. Существует несколько подходов для оценки остаточного ресурса здания или сооружения. Основные подходы, используемые в настоящее время, были основаны на «Рекомендациях по оценке надежности строительных конструкций зданий и сооружений по внешним признакам» (разработан ЦНИИПРОМЗДАНИЙ) и ВСН 53-86 «Правила оценки физического износа жилых зданий» (ГОСГРАЖДАНСТРОЙ).
Согласно методике, предложенной ЦНИИПРОМЗДАНИЙ [87], общая оценка поврежденности здания или сооружения производится по формуле где 1, 2, ... i - максимальная величина повреждений отдельных видов конструкций, a1, a2, ... ai - коэффициенты значимости отдельных видов конструкций.
При этом, коэффициенты значимости отдельных видов конструкций предлагается устанавливать на основании экспертных оценок, а при их отсутствии предлагаются следующие их значения: для плит и панелей перекрытия и покрытия a = 2, для балок a = 4, для ферм a = 7, для колонн a = 8, для несущих стен и фундаментов a = 3, для прочих строительных конструкций a = 2.
В ВСН 53-86 [27] физический износ конструкции, элемента или системы, имеющих различную степень износа отдельных участков, следует определять по формуле:
где Фк - физический износ конструкции, элемента или системы, %;
ФІ - физический износ участка конструкции, %;
Pi - размеры поврежденного участка, м2;
Рк - размеры всей конструкции, м2;
п - число поврежденных участков.
На наш взгляд, приведенные методики применимы для оценки стоимости объекта недвижимости, при вычислении объемов ремонтно-восстановительных мероприятий, но не для целей обследования технического состояния. Рассмотрим пример из практики: в 2014 г. нами было обследовано здание котельной в микрорайоне Марха города Якутска (подробно приведенное в п.2.1.). Участок здания обрушился, а свайные фундаменты оставшейся части находились в аварийном состоянии: сваи и фундаментные балки были разрушены до 80%, в любой момент могло произойти их обрушение. Тем не менее, согласно расчетам, произведенным по методике, предложенной ЦНИИПРОМЗДАНИЙ, поврежденность здания составила 47%, а остаточный ресурс здания - 9,3 года, что не соответствует действительности. То есть формулы требуют дальнейшей доработки, а значимость фундамента необходимо принимать наибольшей из значимостей всех рассматриваемых конструкций. В то же время, состояние грунтов основания также влияет на общее техническое состояние здания или сооружения. Поэтому перед нами встала задача разработки методики для оценки несущей способности системы «основание-фундамент». Кроме того, т.к. в нашем случае рассматривались здания и сооружения, построенные и эксплуатируемые на вечномерзлых грунтах, методика должна содержать данные по взаимодействию фундаментов с мерзлым грунтом.
Для точной оценки несущей способности основания необходим проверочный расчет, произведенный по результатам инженерно-геологических изысканий, а для оценки несущей способности конструкций фундаментов необходимо, кроме обмерных работ, определить класс бетона и параметры армирования железобетонных фундаментов, степень коррозионного износа и толщину металлических фундаментов (при одностороннем доступе к конструкциям), глубину заложения фундамента неразрушающими методами. Однако при проведении обследования технического состояния здания или сооружения, в т.ч. экспертизы промышленной безопасности, такие работы в большинстве случаев не проводятся, так как зачастую заказчики экономят средства на проведении инженерно-геологических изысканий и детального (инструментального) обследования вследствие высокой стоимости этих работ. По этим причинам оценивать несущую способность обследованного здания или сооружения приходится по косвенным признакам, свидетельствующим о развитии инженерно-геологических процессов. В случае с конструкциями фундаментов возможно визуально оценить степень снижения их несущей способности, обращая внимание на наличие дефектов и повреждений. При строительстве на вечномерзлых грунтах общий физический износ (или поврежденность) здания или сооружения следует принимать по наибольшему из значений, полученных для системы «основание-фундамент» и для надземной части здания или сооружения. На основании этих данных предлагается следующая формула для экспертной оценки поврежденности эксплуатируемого здания или сооружения
Согласно данной методике проведена экспертная оценка поврежденности зданий и сооружений, обследованных в геокриологических условиях Якутии (основные результаты обследований приведены в пп. 2.1 и 2.2.).
По результатам расчетов получены следующие соотношения: при =0, при =0-0,2 состояние здания или сооружения оценивается по ГОСТ 31937 2011 как «работоспособное», при =0,2-0,6 – «ограниченно работоспособное», при =0,6-1,0 – «аварийное».
Получено распределение зданий и сооружений по геокриологическим районам, которые представлены на рис.2.17-2.21. По абсциссам приведено распределение объектов по поврежденности, по ординатам – количество обследованных объектов.
Как мы видим из гистограмм распределения поврежденностей зданий и сооружений по геокриологическим районам, в Северной части СреднеСибирского плоскогорья (см. рис.2.17) наибольшее количество зданий, имеющих работоспособное техническое состояние как эксплуатируемых по I принципу, так и эксплуатируемых по II принципу. Зданий, имеющих ограниченно-работоспособное техническое состояние по I принципу больше по причине того, что в рассмотренном геокриологическом районе при опирании фундаментов на подстилающие малосжимаемые породы при дальнейшей эксплуатации повреждений фактически не возникает. Кроме того, имеет место грамотная техническая эксплуатация зданий и сооружений в данном геокриологическом районе, преимущественно эксплуатируемых АК «АЛРОСА»: здания и сооружения, относящиеся к опасным производственным объектам, проходят периодическую экспертизу промышленной безопасности, проводятся замеры температур грунтов и геодезические наблюдения за положением надземных конструкций. Следует отметить, что из рассмотренных объектов поврежденность была оценена преимущественно по поврежденности системы «основание-фундамент», и только один объект был признан аварийным вследствие обрушения металлических пролетных строений [72,81].
Определение марочной прочности, подвижности и плотности грунтовых растворов
В настоящее время в условиях Якутии широко используется цементно песчаный раствор для заливки в скважины, имеется завод по производству портландцемента в Хангаласском районе Якутии. Известковое вяжущее в Якутии не производится, хотя первоначально наиболее востребованным в низкотемпературных грунтах был именно известково-песчаный раствор, т.к. он позволяет песку в скважине находиться во взвешенном состоянии. В Якутии имеются месторождения извести, которые в перспективе могут быть освоены. Снижение стоимости устройства буроопускных свай в вечномерзлые грунты возможно при использовании в растворах местных строительных материалов, например, извести в качестве вяжущего, ее производство дешевле и менее энергоемко, чем производство портландцемента. Кроме того, в качестве заполнителя нами предлагается помимо традиционно применяемых песчаных грунтов использовать буровой шлам, извлекаемый при бурении скважин для свай. Поэтому изучались четыре вида грунтового раствора: цементно-песчаный, цементно-грунтовый на основе бурового шлама, известково-песчаный и известково-грунтовый с различным процентным содержанием извести (5, 10, 15, 25, 34).
В качестве вяжущего для растворов на основе цемента использовался портландцемент марки 500. Для растворов на основе извести – известковое тесто с плотностью 1,4 г/см3. Приготовленное из гашеной извести в соотношении 1 кг извести к 1 литру воды. Температура заливаемой воды 60С. Осадка конуса составляла 12-14 см.
Песчаный заполнитель – мелкий песок с модулем крупности, равным 1,4. Грунтовый заполнитель – буровой шлам, извлеченный при бурении скважин в кварталах 33, 94 и 112 г. Якутска из слоев, расположенных ниже сезонно-талого слоя на глубине 3-4 м. Зерновой состав грунта приводится в таблице 4.2.
Расход сырьевых материалов на приготовление грунтовых растворов представлен в табл. 4.3.
Согласно методике, предложенной ГОСТ 5802—2002 «Растворы строительные. Методы испытаний» была определена плотность грунтовых растворов (табл.4.4.).
Образцы, изготовленные из грунтовых растворов на основе извести, при содержании в них извести меньше 34% обладают практически нулевым сопротивлением на сжатие и изгиб. Полученные данные для цементно-песчаного, цементно-грунтового, известково-песчаного и известково-грунтового (с содержанием извести 34%) растворов приведены в таблице 4.5.
Проведены испытания грунтовых растворов на изгиб и сжатие. Из каждого вида грунтового раствора было изготовлено три стандартных образца-балочки (см. рис.4.3.) с размерами 4х4х16 см. Оставшиеся после проведения испытаний на изгиб части (по шесть образцов на каждый вид грунтового раствора) были испытаны на сжатие на гидравлическом испытательном прессе. Минимальный возраст испытанных образцов – 28 суток, при достижении которого происходит полное схватывание вяжущего.
Испытания показали, что сопротивление стандартных образцов, изготовленных из грунтовых растворов, на изгиб очень незначительны – зафиксировать удалось только сопротивление известково-грунтового раствора. Наибольшей марочной прочностью на сжатие обладает цементно-песчаный раствор – М75. Остальные растворы по прочности располагаются в следующем порядке: цементно-грунтовый (марка М50), грунтовые растворы на основе извести (марка М25).
При дальнейших исследованиях были использованы грунтовые растворы на основе извести с содержанием извести 25% и более.
В настоящее время для заливки в скважины буроопускных свай используется цементно-песчаный раствор марки М100, хотя согласно данным Березовского Б.И. [12], бетоны и растворы марок М100, 200 и 300, уложенные в вечномерзлые грунты с температурой не ниже -5С, набирают прочность 15-20% R28 за месяц и 35-40% R28 за 6 месяцев. Поэтому нами было решено произвести определение степени набора марочной прочности растворов на основе цементного и известкового вяжущего. Для этого были изготовлены по три образца-балочки размером 4х4х16 см для каждого вида грунтового раствора (рис.4.4.). Образцы помещались в холодильную камеру с температурой -10С, исключающей перераспределение влаги в образцах, а затем хранили их в течение 2-х месяцев в Подземной лаборатории.
Для определения марочной прочности контрольные образцы выдерживались при температуре 20±2С до полного оттаивания.
После оттаивания образцы грунтового раствора на основе известкового вяжущего разрушались даже при касании рукой. Грунтовые растворы на основе цементного вяжущего набирали марочную прочность: цементно-песчаный – М30, цементно-грунтовый – М25.
Результаты испытаний на сжатие и изгиб замороженных и оттаянных образцов приведены в таблице 4.6.
Из полученных результатов следует, что при температуре -3С грунтовый раствор на основе извести не набирает прочность, цементно-песчаный раствор набирает прочность на 40%, цементно-грунтовый раствор – на 50%.
Сравнение технико-экономических показателей грунтовых растворов
Предварительным этапом при внедрении любого продукта является его технико-экономическое обоснование.
В Республике Саха (Якутия) высокими темпами ведется жилищное и гражданское строительство, так, с 2000 г. общий объем введенных зданий в год увеличился на 213% и в 2016 г. составил 3402,6 тыс.м3 по данным Федеральной службы государственной статистики Российской Федерации (таблица 5.1.), общая площадь введенных зданий в республике с 2000 года увеличилась на 188% и составила на 2016 год 879 тыс. м2 (таблица 5.2.).
Исходя из этих данных, можно оценить ориентировочный объем рынка. Он вычисляется путем умножения общей площади вводимых зданий в год (879 тыс.м2) на минимальную стоимость строительно-монтажных работ в регионе (85924,86 рублей/м2) и минимальных затрат на устройство свайных фундаментов (6%). По результатам расчетов, объем рынка в Республике Саха (Якутия) составил 4,532 млрд. рублей/год. Если учитывать все регионы с распространением вечномерзлых грунтов, включая места добычи полезных ископаемых, то получится цифра, в разы ее превосходящая.
Для качественного анализа рисков (данные были разработаны в рамках оформления Заявки СВФУ на создание Инжинирингового центра) было идентифицировано 15 рисковых событий, из которых 11 отнесены к источникам (факторам) несистематического риска, 4 – к источникам систематического риска (таблица 5.3). Рисковые события классифицированы по стадиям развития проекта на прединвестиционную, инвестиционную и эксплуатационную.
Далее были рассчитаны значения рисковых событий, проведена их градация по зонам риска. На основе расчетов значений рисковых событий ранжированы потенциальные зоны риска, классифицированы потенциальные риски проекта.
Потенциальными потребителями продукции являются основные строительные организации Республики Саха (Якутия). Число строительных организаций в республике - 3150 (таблица 5.4).
Для сравнения технико-экономических показателей предлагаемых решений произведен расчет расхода сырьевых компонентов на 1 м3 раствора и сравнение несущих способностей по показателям, полученным в результате испытаний, представленных в главе 4.
Расчет затрат 1м3 раствора были использованы следующие данные:
Негашеная известь - «Искитим-известь» (г. Красноярск);
Речной песок - по данным электронных ресурсов;
Портландцемент марки М500 - Согласно прайс-листу АО ПО "ЯКУТЦЕМЕНТ" от 01.01.17г.
Техническая вода - Согласно тарифу для юридических лиц организаций АО Водоканал от 01.07.16 г. - 30.06.17 г.
Расчет расхода сырьевых компонентов на изготовление раствора приведен в таблице 5.6., экономическая эффективность применения подобранных растворов – в таблице 5.7.
Таким образом, наименее затратным для применения при заливке в скважины является известково-грунтовый раствор. Затраты на его изготовление на 116% меньше, чем на изготовление цементно-песчаного раствора. При использовании грунтовых растворов на основе бурового шлама (супеси) основным преимуществом является отсутствие затрат на покупку речного песка, стоимость которого составляет 246 руб. на изготовление 1 м3 раствора.
Для оценки экономической эффективности применения ребристых свай был произведен сравнительный расчет несущей способности основания в виде мерзлых мелких песков с расчетной температурой - 1С. При этом расчетный слой сезонного оттаивания принимался равным трем метрам. При изготовлении ребристых свай основные сложности возникают только при заливке, которую рекомендуется производить в вертикальном их положении, вследствие чего будет увеличена высота участка цеха, на котором они будут изготавливаться. Кроме того, возникают другие сложности в виде изготовления опалубки, т.е. дополнительные затраты на устройство свай предложенной формы будут только на начальной стадии их производства. Сметная стоимость свай на данном этапе рассчитана по объему бетона, затраченного на их изготовление, что соответствует требованиям государственной экспертизы проектно-сметной документации. В результате расчетов несущей способности основания было установлено, что при одинаковых несущих способностях гладкая свая будет иметь длину 12 м, ребристая – 8 м.
Произведен ориентировочный сметный расчет стоимости установки одной сваи при устройстве ее в качестве основания многоквартирного каркасно-монолитного жилого дома (табл.5.8.). Сметная документация составлена на основе сметно-нормативной базы ФЕР- 2001 в редакции 2017 г. (ФСНБ), по состоянию на 1 января 2001 г. на основании:
1. Указаний по применению территориальных единичных расценок на строительные и специальные строительные работы (ФЕР 2001) МДС81-36.
2. Федеральных сборников сметных цен на материалы, изделия и конструкции, применяемых на территории РФ.
3. Сборников федеральных единичных расценок на строительные работы (ФЕР 2001).
Пересчет в текущие цены на 1 квартал 2018 г. осуществлен по индексам без НДС согласно письма Минстрой РФ № 13606-ХМ/09 от 04.04.2018 г.
- на СМР (многоквартирные жилые дома (монолитные)
- 12,07
Накладные расходы и сметная прибыль начислялись в локальных сметах в соответствии с «Методическими указаниями по определению величины накладных расходов в строительстве, осуществляемом в районах Крайнего Севера и местностей, приравненных к ним» (МДС8-34.2004), «Методическими указаниями по определению сметной прибыли в строительстве» (МДС81-25.2001).
Уменьшение стоимости за счет использования ребристой сваи в данных геокриологических условиях составило 37,43%. Однако эти данные будут откорректированы, т.к. изготовление ребристой сваи обойдется дороже изготовления гладкой.