Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологических процессов строительного производства при сооружении линейно-протяженных объектов на слабонесущих обводненных грунтах 11
1.1. Принципы нормирования показателей производства строительных работ при возведении объектов на слабонесущих грунтах 11
1.2. Методы закрепления линейно-протяженных объектов в обводненной местности с использованием укрепленных грунтов и синтетических материалов 17
1.3. Методология организационно-технологического проектирования строительных работ в сложных природно-климатических условиях 23
1.4. Выводы по главе 1 34
Глава 2. Исследование технологических процессов строительного производства в условиях обводненной местности с учетом физико-механических свойств грунта 38
2.1. Разработка методов использования укрепленных грунтов при строительстве промышленных объектов в обводненной местности 38
2.2. Моделирование технологических операций строительного производства в условиях обводненной местности 51
2.3. Прогнозирование технологических параметров строительства защитных грунтовых покрытий 61
2.4. Выводы по главе 2 70
Глава 3. Разработка методов расчета технологических параметров строительного производства в обводненной местности при комплексном использовании укрепленных грунтов и синтетических материалов 76
3.1. Методы комплексного укрепления грунтов вяжущими веществами и синтетическими материалами 76
3.2. Исследование особенностей сооружения защитных покрытий технологических площадок и временных дорог в обводненной местности 87
3.3. Алгоритмы расчета параметров устойчивости сооружаемого объекта с учетом характеристик слабонесущего грунта и синтетического материала 95
3.4. Выводы по главе 3 108
Глава 4. Исследование организации строительного производства линейно-протяженных объектов на обводненных слабонесущих грунтах 112
4.1. Разработка методов организации выполнения строительно-монтажных работ при закреплении объектов на обводненных слабонесущих грунтах 112
4.2. Разработка организации строительного производства при сооружении защитных покрытий с использованием укрепленных грунтов 117
4.3. Разработка организации строительного производства при сооружении технологических площадок с использованием синтетических материалов 125
4.4. Выводы по главе 4 129
Общие выводы 132
Литература 135
- Методы закрепления линейно-протяженных объектов в обводненной местности с использованием укрепленных грунтов и синтетических материалов
- Моделирование технологических операций строительного производства в условиях обводненной местности
- Исследование особенностей сооружения защитных покрытий технологических площадок и временных дорог в обводненной местности
- Разработка организации строительного производства при сооружении защитных покрытий с использованием укрепленных грунтов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Научно-технический прогресс и рыночная экономика значительно повысили требования к эффективности технологического проектирования строительного производства в различных природно-климатических и геолого-географических условиях, в том числе и проектных разработок технологических решений по строительству линейно-протяженных объектов в условиях обводненной местности. Строительство объектов в условиях крайнего севера зачастую приходится осуществлять на подрабатываемых территориях, просадочных или набухающих грунтах, в оползневых районах, на болотистых заторфованных отложениях, плывунах и других разновидностях неустойчивых и слабых грунтов.
Повышение организационно-технологической надежности строительства требует разработки систем отслеживания динамики технологических параметров на всех этапах строительного производства. Анализ практики строительства объектов на обводненных слабонесущих грунтах показал, что достаточно ответственным является технологический процесс закрепления сооружения на заданных проектных отметках. Это актуализирует необходимость разработки соответствующих математических моделей и методов анализа подготовки и поддержки принятия технологических решений при проектировании выполнения строительно-монтажных работ на линейно-протяженных объектах с учетом особенностей выполнения работ на слабонесущих обводненных грунтах.
Разработка теории и методов искусственного улучшения свойств пород в соответствии с запросами различных отраслей строительства и применительно к различным типам грунтов является одним из наиболее важных направлений прогнозирования технологических процессов и систем организации
строительства. Методы укрепления грунтов практически используются как в качестве самостоятельных мер, так и в комплексе с инженерно-строительными мероприятиями для целей борьбы с вредными инженерно-геологическими процессами и явлениями и направлены на искусственное улучшение состояния и физико-механических свойств пород и их массивов с использованием различных технических подходов.
Существующие технологии стабилизации положения сооружаемых объектов (трубопроводов, искусственных оснований фундаментов, насыпей технологических площадок, берегоукреплений и т.п.) в условиях значительного разнообразия грунтовых условий по трассе имеют ряд недостатков: ограниченность области применения, потребность в громоздком оборудовании, значительный объем транспортировки материалов, низкие производительность и физико-механические характеристики укрепленных грунтов, что существенно сдерживает их использование для нужд строительного производства. При этом одной из наиболее важных задач технологического проектирования строительства в сложных природно-климатических условиях является разработка новых методических решений в определении перемещений линейно-протяженных объектов, вызванных эксплуатационными нагрузками и воздействиями на объект различных тепловых и динамических процессов, имеющих место как внутри, так и вне объекта. Потеря устойчивости сооружения, прокладываемого на слабонесущих грунтах в обводненной местности, может привести к резкому повышению напряжений в конструкции, к нарушению проектной прочности объекта, требует значительных затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ.
В зависимости от конкретных условий строительства линейно-протяженного объекта на отдельных участках трассы, строительного сезона, физико-механических характеристик грунтов применяются различные конструкции и способы закрепления объектов на заданных проектных
отметках, в том числе и комплексные: укрепленные вяжущими веществами грунты в сочетании с использованием синтетического материала.
Увеличение объемов строительного производства в северных регионах России определяет необходимость и актуальность разработки проблем повышения надежности сооружаемых объектов и сокращения продолжительности строительно-монтажных работ путем совершенствования методов расчетов технологических параметров строительства линейно-протяженных объектов на обводненных слабонесущих грунтах.
Актуальность выполненных исследований связана с реализацией задач по прогнозированию параметров технологических процессов производства строительных работ на всех этапах сооружения объектов в сложных природно-климатических условиях. Разработанные методики и алгоритмы позволяют эффективно управлять строительными работами и совершенствовать для этого нормативную базу.
Цель диссертационной работы - разработка методов использования укрепленных грунтов и синтетических материалов в технологических процессах строительного производства при сооружении объектов на обводняемых территориях.
Задачи исследования:
анализ технологических процессов и принципов нормирования строительного производства при сооружении линейно-протяженных объектов в обводненной местности на слабонесущих грунтах;
разработка методов количественного анализа технологических показателей выполнения строительно-монтажных работ для реализации комплексных процессов закрепления линейно-протяженных объектов на заданных отметках;
- разработка методов и средств оценки устойчивости сооружаемых
объектов с учетом физико-механических свойств укрепленных грунтов и
деформационно-прочностных характеристик синтетических материалов;
- разработка информационно-расчетного обеспечения в системе
организационно-технологического проектирования строительных работ в
обводненной местности с комплексным использованием укрепленных грунтов
и синтетических материалов;
- подготовка практических рекомендаций по применению результатов
исследований при строительстве линейно-протяженных объектов.
Объект исследования: прогнозирование технологических процессов производства строительных работ в обводненной местности на слабонесущих грунтах.
Предмет исследования: организация и технология строительства объектов с использованием укрепленных грунтов и синтетических материалов.
Методологические и теоретические основы исследования базируются на работах отечественных и зарубежных ученых в области системотехники строительства, методов теории прочности, вероятностно-статистического анализа, экспертного логического анализа, информационно-вычислительных технологий, обобщении исследований в области технологии и организации строительного производства.
Научно-техническая гипотеза предполагает использование современных методов укрепления грунтов, синтетических материалов и информационно-вычислительных компьютерных технологий для прогнозирования параметров технологических процессов строительного производства при сооружении линейно-протяженных объектов на обводненных слабонесущих грунтах, что должно существенно повысить эффективность разработки и реализации инвестиционно-строительных проектов.
Научная новизна результатов исследования:
разработаны методы проектирования технологических процессов строительного производства сооружения линейно-протяженных объектов в обводненной местности на слабонесущих грунтах, обеспечивающие системотехническую увязку функциональных подсистем и информационно-аналитических задач организационно-технологического проектирования строительства;
разработаны методы прогнозирования параметров технологических процессов и конструктивных решений использования укрепленных грунтов и синтетических материалов, позволяющие осуществлять многовариантное моделирование технико-экономических показателей выполнения строительно-монтажных работ при сооружении линейно-протяженных объектов на слабонесущих грунтах;
- предложена структура информационно-расчетного обеспечения в
системе организационно-технологического проектирования строительных
работ в обводненной местности для повышения эффективности применения
материально-технических ресурсов при выполнении строительно-монтажных
работ на линейно-протяженных объектах с комплексным использованием
укрепленных грунтов и синтетических материалов.
На защиту выносятся:
- результаты анализа проектирования технологических процессов
строительного производства сооружения линейно-протяженных объектов в
сложных природно-климатических условиях, позволившие выработать
научную гипотезу и методические рекомендации по совершенствованию
технологических процессов строительного производства на основе
использования укрепленных грунтов и синтетических материалов;
- организационно-технологическое проектирование строительных работ в
обводненной местности и методы оценки производства строительно-
монтажных работ при сооружении линейно-протяженных объектов на обводненных слабонесущих грунтах;
- структура информационно-расчетного обеспечения в системе организационно-технологического проектирования строительных работ.
Практическая значимость и внедрение результатов исследования.
Совокупность полученных результатов дает методику технологического проектирования выполнения строительных работ в сложных природно-климатических условиях, а разработанные информационно-расчетные технологии позволяют анализировать параметры технологических процессов закрепления линейно-протяженных объектов на обводненных слабонесущих грунтах с учетом полученных в работе подходов оценки эффективности выполнения строительно-монтажных работ.
В процессе работы было выполнено опытно-промышленное внедрение результатов технологического проектирования строительно-монтажных работ с использованием укрепленных грунтов и синтетических материалов: производственным предприятием "Поляр-инжениринг" (000 "Поляр-инжениринг") проектно-конструкторским производственным предприятием "Управление проектных работ и застройки" (000 "УПРиЗ").
Результаты работы использовались в лекционных курсах "Искусственный интеллект" и "Экологический мониторинг" Университета методологии знания (УМЗ), входят в используемые опубликованные методические разработки и указания по этим курсам. Материалы диссертации могут оказаться полезными при формировании учебного и реального программного обеспечения в указанной области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: секции "Строительство" Российской инженерной академии (2000-2002 гг.); Московском городском семинаре "Системология и системотехника комплексной обработки данных и
документации" (2001-2003 гг.); научных семинарах секции "Организация строительства и автоматизированного проектирования" ЗАО ЦНИИОМТП и других учебных и практических проектных организаций отрасли строительства РФ.
Методы закрепления линейно-протяженных объектов в обводненной местности с использованием укрепленных грунтов и синтетических материалов
Химическое укрепление грунтов органическими вяжущими веществами применяется для придания дисперсным грунтам связности и водоустойчивости. Укрепление глинистых грунтов основывается на введении такого количества связующего, которого достаточно для закупорки капилляров внутри небольших агрегатов, что предотвращает перемещение влаги в уплотненной смеси. Достижения полной водонепроницаемости агрегатов, как показали практические наблюдения, не требуется.
Как правило, рецептуры вяжущих веществ (например, [85]) готовят в заводских условиях компаундированием тяжелых нефтяных остатков (гудрон, крекинг-остаток, вакуумированный крекинг остаток) и легкого газойля деструктивных процессов (замедленного коксования, термокрекинга) - летняя модификация; зимняя модификация вяжущих веществ состоит из тяжелых нефтяных остатков и флегмы термического крекинга дистиллятного сырья. Вяжущее вещество представляет собой темную маслянистую жидкость плотностью 980-1040 кг/м3, температурой застывания минус -5 -8 "С для летней и -25 С для зимней модификаций. В работе [7] описана технология промышленного использования вяжущих веществ при строительстве газопровода Челябинск - Петровск. Для стабилизации положения трубопровода были использованы грунты, укрепленные вяжущим веществом по ТУ 38.101960-83. В дальнейшем укрепленные грунты использовались для балластировки трубопроводов на участках прогнозируемого обводнения, возведения противоэрозионных сооружений и оснований резервуаров увеличения долговечности антикоррозионной изоляции [85]
На своем протяжении магистральные трубопроводы пересекают значительное количество больших и малых рек, других водных преград, для переходов через которые основной является подземная схема прокладки. При строительстве подводных трубопроводов в русловой и приурезной частях перехода разрабатывается траншея с последующей укладкой в нее снаряженного дюкера, а заключительной операцией является восстановление и укрепление дна и берегов водоема. Традиционно применяемые конструкции креплений каменной наброской и покрытиями из сборных железобетонных плит весьма трудоемки в изготовлении, материалоемки и дорогостоящи.
В процессе работ по строительству переходов происходит нарушение естественного состояния грунтовых массивов, связи между частицами пород разрушаются, для восстановления берегов используется насыпной грунт. Отсутствие защитных сооружений в условиях воздействия течения, волн, льда, склоновых стоков приводит к размыву и обрушению берегов, особенно на начальном этапе эксплуатации подводных переходов. Однако, в отличие от объектов гидротехнического строительства, на трубопроводном транспорте берегоукрепления не подвержены действию значительных по значению и интенсивности нагрузок, так как створы переходов выбираются на прямолинейных устойчивых участках водных преград с неразмываемыми берегами [73], и не требуют применения материалов, обладающих высокой механической прочностью.
В гидротехническом строительстве для устройства противофильтрационных завес и других защитных сооружений широкое распространение получило инъекционное укрепление грунтов (цементация, силикатизация, полимеризация, битумизация и др.). Однако следует иметь в виду, что для подводных трубопроводов в первую очередь необходимы восстановление и стабилизация поверхности откосов, нарушенных строительной техникой при производстве земляных работ, а инъекция химических реагентов не является эффективной.
Поверхностное укрепление грунтов нарушенной структуры органическими и неорганическими вяжущими веществами наибольшее распространение получило при устройстве оснований и покрытий дорог и аэродромов. Опыт дорожного и аэродромного строительства может быть использован при выборе материала для крепления берегов в створах подводных трубопроводов.
Требования, предъявляемые к материалу защитного покрытия, можно разделить на две группы: прочностные и технологические. К прочностным будем относить факторы, обеспечивающие безаварийную эксплуатацию сооружения, к технологическим - факторы, учитывающие возможность применения традиционных технологических приемов и существующей техники в условиях трассы. Для обеспечения безаварийной эксплуатации подводных трубопроводов необходимо, чтобы характеристики прочности материала берегоукрепления превышали значения внешних нагрузок. Защитное сооружение воспринимает волновые и ледовые нагрузки, воздействия течений и склоновых стоков, колебания уровней воды и температуры, которые вызывают появление в креплении распределенных и сосредоточенных усилий, изгибающих моментов, приводят к снижению прочности материала. В результате проведенных исследований по изучению действительных условий эксплуатации берегоукреплений в створах подводных трубопроводов, удалось сформулировать требования к характеристикам прочности укрепленных грунтов (табл. 1.3, где значения характеристики для грунтов, укрепленных: Ъ,\ -жидким битумом; 2 - синтетическими смолами; ,з - цементом, известью; \\ -вяжущим веществом ВМТ [851 значения характеристик Ъ,т Ъ.л, приведены для суглинков в числителе даны значения для укрепления цементом в знаменателе - известью).
Моделирование технологических операций строительного производства в условиях обводненной местности
Наиболее благоприятные условия взаимодействия вяжущего вещества с частицами породы существуют в карбонатных грунтах, а также в грунтах, где в обменном состоянии присутствуют ионы кальция, содержатся оксиды железа и алюминия. Интенсивность образования хемосорбционных соединений на поверхности частиц грунта, насыщенного ионами кальция или железа, определяется содержанием в закрепителе анионоактивных веществ -высокомолекулярных органических кислот, которые интенсивно реагируют с положительно заряженными минералами. Частицы грунтов, содержащих карбонаты кальция, оксиды железа и алюминия, лучше смачиваются вяжущим веществом, обеспечивая при этом хорошую адгезию. Грунты, имеющие в своем составе сернокислые и углекислые соли натрия, хлориды плохо поддаются укреплению, так как имеют низкую прочность я водостойкость вследствие образования гидратных оболочек на поверхности частиц грунта, препятствующих их взаимодействию со связующим.
На основании результатов исследований можно сформулировать следующие рекомендации по использованию вяжущего вещества для укрепления грунтов в основании строительных конструкций: укреплению вяжущим веществом подлежат суглинки и супеси без регулирования и с регулированием гранулометрического состава, пески с регулированием гранулометрического состава, глины с регулированием гранулометрического состава и добавками извести (цемента); отклонение естественной влажности грунта, подлежащего укреплению, от оптимального значения, обеспечивающего максимальную степень уплотнения, не должно превышать ±4%; при перемешивании грунта с вяжущим веществом следует обеспечивать однородность смеси, дозировка закрепителя в любой точке не должна выходить за пределы для суглинков 6-ь8%, для супесей 4ч-6% от массы скелета грунта; уплотнение укрепленных грунтов является обязательным, значение уплотняющего давления должно составлять не менее 0,4-Ю,6 МПа, выдержка приготовленной вяжущегрунтовой смеси перед уплотнением приблизительно до 4 суток обеспечивает упрочнение материала.
Моделирование технологических операций строительного производства в условиях обводненной местности будем выполнять на примере укрепления грунтового основания и берегового откоса при сооружении подводных переходов трубопроводов через водные препятствия [2,7,25,83]. Обеспечение работоспособности и долговечности берегоукреплений в створах подводных трубопроводов имеет первостепенное значение как для безаварийной эксплуатации последних, так и с точки зрения охраны окружающей среды. Главенствующую роль при этом будут играть прочность и устойчивость конструкций к внешним нагрузкам: колебанию температуры, воздействию течений и склоновых стоков, ледовым и волновым нагрузкам.
Укрепленные грунты обладают устойчивостью к колебанию температур, воздействию течений и склоновых стоков. При расчетах защитных покрытий на действие ледовых и волновых нагрузок согласно нормам [69], принятым для гидротехнических сооружений, должно соблюдаться условие недопущения наступления предельных состояний. Для проверки прочности и устойчивости защитных покрытий из укрепленных грунтов при действии на них ледовых и волновых нагрузок воспользуемся формулой где у = 1 - коэффициент сочетаний нагрузок; F - расчетное значение обобщенного силового воздействия (напряжений, усилия, момента сил); Fp - расчетное значение обобщенной несущей способности (прочности, усилия сопротивления, момента сил сопротивления); Ур = 1 - коэффициент условий работы; Ун = 1,15 - коэффициент надежности по назначению сооружения.
Нагрузки от льда на берегоукрепления включают: горизонтальную и вертикальную составляющие силы от воздействия ледяного поля на сооружение откосного профиля; силу от воздействия остановившегося ледяного поля, наваливающегося на сооружение при действии течения воды и ветра; нагрузку на сооружение от воздействия сплошного ледяного покрова при его температурном расширении; силу от навала зажорных масс льда на сооружение; вертикальную силу и момент силы от примерзшего ледяного покрова при изменении уровня воды. Нагрузки от ветровых и судовых волн на берегоукрепления включают: волновое давление на откос, волновое противодавление. Расчет ледовых и волновых нагрузок выполнялся согласно [70], а алгоритм расчета несущей способности берегоукреплений приведена в работе [40,85].
Результаты расчетов защитного покрытия на прочность и устойчивость, выполненного из грунта, укрепленного вяжущим веществом, для различных сочетаний ледовых и волновых нагрузок приведены в табл. 2.2, где Pi -проверка на прочность от равнодействующей ледовых нагрузок; Рг - проверка устойчивости против сдвига примерзшим ледовым покровом при изменении уровня воды; Рз - проверка устойчивости против опрокидывания примерзшим ледяным покровом при изменении уровня воды; Р4 - проверка на прочность от давления ветровых волн; Р5 - проверка на прочность от давления судовых волн; Рб - проверка устойчивости против сдвига при волновом противодавлении ветровых волн; Ру - проверка устойчивости против сдвига при волновом противодавлении судовых волн. Как показали расчеты, отношение Fp/F для всех случаев превышает значение 1,15, что удовлетворяет условию (2.1). Таким образом, прочность и устойчивость берегоукреплений, выполненных с применением упрочненных грунтов, от действия ледовых и волновых нагрузок будет обеспечена.
Регулярное воздействие волн на защитное покрытие из укрепленных грунтов может привести к постепенному уменьшению его толщины вследствие вымывания связующего, отрыва частиц и агрегатов грунта, увлекаемых струйками воды. Долговечность берегоукрепления, следовательно, непосредственно зависит от устойчивости грунтов, обработанных вяжущим веществом, к размыву при волновых воздействиях. Изучение основных закономерностей процесса разрушения защитных покрытий при накате на откос характеризуется принципиальной схемой, приведенной на рис. 2.7. Интенсивность размыва модели покрытия неодинакова, она максимальна в точке, соответствующей наибольшему значению волнового давления, и значительно меньше на некотором удалении (рис. 2.8).
Исследование особенностей сооружения защитных покрытий технологических площадок и временных дорог в обводненной местности
Исследованы технологические процессы строительного производства в условиях обводненной местности с учетом физико-механических свойств грунта и разработаны алгоритмы расчета параметров закрепления объектов на слабонесущих грунтах с использованием строительных материалов, укрепленных вяжущими веществами. Главная особенность расчета технологических параметров закрепления объекта на слабонесущих обводненных грунтах связана с изменчивостью физико-механических характеристик грунта засыпки. Так, грунты, содержащие карбонаты кальция, окислы железа и алюминия, лучше смачиваются вяжущим веществом, обеспечивая хорошую адгезию. Присутствие солей натрия и хлоридов препятствует взаимодействию частиц грунта с закрепителем. С увеличением содержания глинистых частиц эффективность укрепления повышается, однако для глин имеет место низкая адгезия между частицами, обработанными вяжущими веществами. Укрепление вяжущими веществами суглинков и супесей возможно без регулирования, а песков и глин - с регулированием гранулометрического состава, для глин также рекомендуются добавки извести (цемента). Содержащаяся в грунте вода не вступает в химические реакции со связующим, но является важной структурирующей добавкой.
Укрепленные грунты сохраняют свои свойства в узком диапазоне дозировок закрепителя, получаемая при этом структура материала характеризуется непосредственным контактом агрегатов, заполнением пор и обволакиванием частиц грунта связующим. С учетом требований к характеристикам материала для укрепления береговых откосов дозировки вянущего вещества на основе гудрона составляют для суглинков 6+8%, супесей 4+6% от массы скелета грунта. Однородность смеси контролируется по внешним признакам - цвету, равномерности распределения компонентов, а также строительной технологичности. Для создания прочной и водостойкой структуры укрепленных грунтов требуется уплотнение давлением 0,4+0,6 МПа. Установлено, что для увеличения прочности грунтового покрытия необходимо соблюдать определенный технологический регламент производства работ, а именно, выдержка укрепленного вяжущими материалами грунта в течение 3-ь4 суток перед уплотнением позволяет увеличить прочность покрытия на 25 %.
Методы использования укрепленных грунтов при строительстве объектов в береговой зоне рек должны учитывать существенное уменьшение толщины грунтового крепления в результате воздействия водной среды. При этом, размыв укрепленных грунтов даже на небольшом протяжении может вызвать нарушение устойчивости крепления. В результате обработки экспериментальных данных была получена регрессионная зависимость для расчета интенсивности размыва защитных сооружений из укрепленных грунтов, которая имеет следующий вид: I = (ki - k2m - k3c)v, где I интенсивность размыва защитного покрытия, м/год; кь кг, кз - эмпирические коэффициенты, величина которых с учетом указанной размерности параметров регрессионной зависимости равна к2 = 0,1785, кг = 0,0105, кз = 2,345; v средняя скорость движения воды, м/с; m == ctg а - коэффициент заложения берегового откоса; ot - угол наклона откоса к горизонту градус с - сцепление укрепленных грунтов !МПа. Полученное значение интенсивности размыва может быть использовано для определения срока службы берегоукрепления при изменении средней скорости движения воды до 2,5 м/с: Т = к4-d/(1-1в), где Т - средняя продолжительность эксплуатации защитного крепления из укрепленных грунтов, год; d - толщина защитного покрытия из укрепленных грунтов, м; tB -среднее расчетное время стояния уровня воды на отметке защитного покрытия из укрепленных грунтов в течение года, сут/год; \ц - размерный коэффициент. Прогнозирование технологических параметров строительства защитных грунтовых покрытий должно учитывать старение укрепленных грунтов. Под старением материала подразумевается совокупность всех химических и физических процессов, приводящих со временем к изменению его свойств. В процессе эксплуатации защитные покрытия подвержены воздействию положительных и отрицательных температур, солнечной радиации, химически активных веществ (кислород воздуха, озон, вода), бактерий, статических и динамических нагрузок. Такие факторы, как тепловое и солнечное облучение, химическое и механическое воздействия вызывают разрыв химических связей, образование свободных радикалов, т.е. обусловливают протекание химических превращений, являющихся одной из причин старения укрепленных грунтов. Окисление вяжущего вещества, на интенсивность которого значительное влияние оказывают свет и теплота, приводит к переходу ароматических углеводородов в смолы, смол - в асфальтены, асфальтенов - в карбены. В процессе старения укрепленные грунты теряют эластичность, приобретают более высокие прочность и хрупкость. Действие солнечного облучения значительно усиливает окислительные процессы в поверхностном слое укрепленного грунта толщиной 5-И 0 мкм, он сильно карбонизируется, становится хрупким и плотным а затем растрескивается. Действие воды на верхний карбонизированный слой приводит к его растворению и смыву. Процесс старения нижележащих слоев укрепленного грунта идет гораздо медленнее. 6. Результаты расчетов толщины защитных покрытий показывают, что защитное покрытие толщиной 0,30 м может применяться при высоте ветровой волны до 1,2 м и высоте судовой волны до 0,6 м. Однако, при увеличении скорости движения воды до 0,5 м/с толщину покрытия необходимо увеличить до 0,36 м. Увеличение сцепления укрепленных грунтов до 0,050 МПа позволяет сократить толщину покрытия всего лишь на 0,03 м. Изменение коэффициента заложения откоса также не оказывает существенного влияния на толщину защитного покрытия.
Разработка организации строительного производства при сооружении защитных покрытий с использованием укрепленных грунтов
Удерживающая способность торфяной засыпки, армированной НСМ, недостаточна для обеспечения устойчивости положения трубопроводов на болотах [96]. С целью ее увеличения необходимо производить частичную или полную замену торфа минеральным грунтом. Проводились натурные эксперименты по балластировке трубопроводов НСМ с засыпкой смесью торфа и минерального грунта в различных пропорциях, результаты которых можно использовать для разработки методики расчета устойчивости положения трубопроводов на болотах [30,32,34,87] .
В целях сокращения объемов транспортных операций, а также обеспечения возможности укладки и стабилизации на проектных отметках трубопроводов в условиях обводненной траншеи, предпочтительно применять устройства в виде оболочек из синтетических материалов, заполненных грунтом. Для предотвращения размокания грунта внутри оболочек и его оплывания под трубу, что будет препятствовать укладке трубопровода на проектные отметки, а также для обеспечения сохранности устройства при повреждении синтетического материала, рекомендуется укреплять заполнитель оболочек вяжущими веществами. Подобные устройства для стабилизации положения трубопроводов принято называть вяжущегрунтовыми пригрузами (ВГП -рис. 3.6) [85].
Учитывая, что в условиях прокладки трубопроводов на болотах и засыпки торфом вес пригрузов в воде должен превосходить выталкивающую силу, и принимая во внимание указания [73] к расчету данных параметров, был предложен ряд конструкций пригрузов ВГП, характеристики которых приведены в табл. 3.5, где масса пригрузов определена для плотности укрепленных грунтов 1800 кг/м .
В качестве материала оболочки пригруза ВГП могут быть использованы НСМ, сем и прослойки из полос резинотканевого корда. На обводненных участках трасс в условиях засыпки песчаными или глинистыми грунтами при расчете интенсивности балластировки трубопровода кроме нагрузки от собственного веса пригрузов необходимо учитывать удерживающую способность грунта. Экспериментальным путем было установлено, что удерживающая способность песка при вертикальных перемещениях труб за счет использования пригрузов ВГП возрастает на 504-60% [85].
К недостаткам защитных покрытий из укрепленных грунтов следует отнести невозможность производства строительно-монтажных работ на подводных откосах. Кроме того, область их применения ограничена по высоте волн, толщине льда, скорости течения, крутизне откосов. Для изучения возможности расширения области применения защитных конструкций были проведены исследования по улучшению свойств покрытий путем армирования грунтов НСМ, ССМ, автопокрышками (
Исследования с использованием суглинка, имеющего в естественном состоянии следующие характеристики: влажность 23%, плотность 1900 кг/м , сцепление 0,022 МПа, угол внутреннего трения 22, и вяжущего вещества, показали, что комплексное использование грунтов и синтетических материалов снижает интенсивность размыва покрытия на отметках ниже уровня укладки армирующего материала. По устойчивости к размыву конструкции располагаются в следующем порядке: наиболее устойчиво покрытие из НСМ, далее идут покрытия с армированием автопокрышками и ССМ, наименее устойчиво покрытие без армирования. Очевидно, что комплексное укрепление грунта синтетическими материалами и вяжущими веществами значительно повышает устойчивость защитных покрытий к размыву.
Покрытие из геотекстильных оболочек, заполненных укрепленными грунтами, обладает важными преимуществами: при размыве грунт перемещается только в пределах оболочки, а не вымывается, как в других конструкциях, для уменьшения перемещений частиц заполнителя рекомендуется использовать оболочки цилиндрической формы диаметром 200-Ї-300 мм; конструкция обладает гибкостью при укладке на неровное основание и неравномерных осадках откоса обеспечивается плотное прилегание покрытия к поверхности защищаемого берега
Ввиду сложности изготовления и заполнения оболочек для защиты надводных откосов наряду с данной конструкцией могут быть использованы грунтовые покрытия, армированные автопокрышками и синтетическими сетками, дополнительно грунты могут укрепляться вяжущим веществом. Для защиты подводных откосов могут использоваться только геотекстильные оболочки, заполненные укрепленными грунтами.
Использование грунтов, укрепленных вяжущими веществами, для строительства технологических площадок и дорог (ТПиД) ограничивается недостаточно высокими значениями модуля упругости, который является основной характеристикой материалов покрытий. Улучшения указанного показателя можно достичь за счет регулирования гранулометрического состава грунта добавками гравия [16,26,89]. Наилучший состав смеси в массовых долях: 2/3 глинистого грунта и 1/3 гравия, так как при большем содержании последнего нарушается связность получаемого материала. Дозировка вяжущего вещества в смеси составляет 4- -8% от массы скелета глинистого грунта [85].
В целях дальнейшего повышения эффективности конструкций ТПиД целесообразно использование армирующих прослоек из синтетических материалов. Проведенными исследованиями определено влияние толщины насыпного основания, глубины заложения и размера ячейки армирующей прослойки на значения осадки и модуль упругости оснований ТПиД. Эксперименты проводились в соответствии с рекомендациями [10,21], диаметр штампа был равен 0,1 м, давление штампа 0,55 МПа, для моделей насыпного основания использовался песок. Армирующая прослойка была изготовлены из полос резинотканевого корда [34].
В нормальных условиях строительства при отсыпке песчаного или песчано-гравийного основания на подстилающих глинистых грунтах наилучшим вариантом расположения армирующей прослойки является граница между насыпью и покрытием, так как с увеличением глубины заложения модуль упругости снижается (рис. 3.8), Начиная с глубины, равной диаметру штампа, модуль упругости при дальнейшем заглублении прослойки изменяется весьма незначительно. Укладка прослойки на границе насыпи и покрытия позволяет увеличить модуль упругости основания в 2 раза по сравнению с конструкцией без армирования.
