Особливості динамічного ущільнення ґрунтових сумішей з використанням відходів гірничого виробництва – "хвостів" - Автореферат

Закономірності ущільнення ґрунтів і їх сумішей у лабораторних умовах до нинішнього часу встановлюються за “стандартним методом”, запропонованим Р.Р. Оптимальні характеристики ущільнення, визначені стандартним методом, у більшості випадків не відповідають результатам виробничого ущільнення, що призводить до необґрунтованого призначення проектних показників щільності ґрунтів і сумішей, нераціональному використанню їх міцності й неефективному використанню ущільнювачів. Виконана дисертаційна робота являє собою частину загальної наукової програми держбюджетних досліджень за темою „Особливості динамічного ущільнення ґрунтових сумішей з використанням відходів гірничого виробництва” кафедри геотехніки Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що: вперше обґрунтовано загальну методику підбирання оптимального складу ґрунтової суміші з використанням відходів гірничого виробництва - „хвостів” - для влаштування земляних споруд; для конкретних умов Полтавського ГЗК установлено її склад із 70% „хвостів” і 30% покривних суглинків; удосконалено розроблену в ПОЛТНТУ математичну модель процесу ущільнення ґрунтів для суміші „хвостів” із добавкою суглинку, де вона розглядається на етапах деформування як ідеально пружне, пружно-пластичне та вязко-пластичне середовище, враховуються також процеси її дилатансії. вперше розроблено технічні рекомендації до використання „хвостів” при зведенні земляних споруд.У другому розділі розглянуті основи лабораторного методу вивчення ущільнення ґрунтів та їх сумішей з „хвостами” (метод динамічного ущільнення), який дозволяє дослідити не тільки кінцевий результат ущільнення зразків ґрунту, але і весь процес ущільнення при різних значеннях вологості, щільності та кількості ущільнюючих впливів. Виявлення закономірностей ущільнення ґрунтів за допомогою методу динамічного ущільнення було проведено з сумішшю “хвостів” Полтавського ГЗК із добавленням суглинку в кількості 10%, 20%, 30% від ваги „хвостів”. Багаторазові експериментальні дослідження показали, що при ущільненні зразків ґрунтів (сумішей) в умовах постійної вологості послідовно зростаючою кількістю ударів вантажу виразно фіксувалися три характерні фази ущільнення: 1. Для оцінювання результатів лоткових досліджень ущільненості сумішей „хвостів” розроблено обєктивний спосіб аналізу і виключення окремих визначень вологості й питомого обєму скелета суміші „хвостів” на основі широкого використання методів математичної статистики. Результати польових експериментальних досліджень показали, що і в умовах обмеженої можливості бокового розширення спостерігалися закономірності, аналогічні тим, які були одержані в лабораторних умовах: У процесі ущільнення суміші в лотку ущільнювачем виявилися три фази ущільнення: фаза невстановленого режиму ущільнення, основна фаза логарифмічного закону ущільнення, кінцева фаза неможливості подальшого ущільнення.В основі цієї роботи лежить пропозиція утилізації „хвостів” шляхом використання їх при будівництві земляних споруд різного призначення. У результаті проведених досліджень вдосконалені й використані для розвязання поставленої задачі - підбору складу сумішей і вивчення їх властивостей - наступні методи дослідження ущільненості ґрунтів та сумішей: метод динамічного ущільнення спеціально приготованих зразків ґрунтів і сумішей, який забезпечує встановлення оптимальної вологості та максимальної питомої ваги скелета суміші у вибраному або заданому діапазоні ущільнюючих дій за неможливості бокового розширення сумішей при ущільненні; метод оцінювання характеристики ґрунтів та сумішей при ущільнені їх в умовах можливості бокового розширення механізованими ущільнювачами у лотках і польових умовах, який дає змогу дослідити закономірності ущільнення в широкому діапазоні ущільнюючих дій, питомого обєму скелета ґрунту й вологості; Номограми ущільнення сумішей конкретним ущільнювачем, які рекомендуються для практичного використання, дозволяють визначити: максимальну щільність суміші при відомій вологості й заданій кількості ущільнюючих впливів; оптимальну вологість для будь-якої величини ущільнюючих впливів, мінімальну кількість ущільнюючих впливів, що необхідна для ущільнення ґрунту та суміші до заданої щільності при відомій вологості. Запропонований метод визначення необхідного ступеня ущільнення ґрунтів та сумішей із умови забезпечення заданої міцності й стійкості земляних споруд оснований на використанні механічних характеристик, які виявляються методом суміщених досліджень пенетрацєю та обертальним зрізом, і розрахункових схем взаємозвязку фізико-механічних властивостей ґрунтів та сумішей.

2. Основний зміст роботи

У регіонах України з розвинутою залізорудною промисловістю існує глобальна екологічна проблема - зберігання й утилізація „хвостів”. Проблема полягає у знищенні сотень квадратних кілометрів земельних угідь, які займають хвостосховища - з одного боку та забруднення атмосфери кварцовим пилом - з другого. В основі цієї роботи лежить пропозиція утилізації „хвостів” шляхом використання їх при будівництві земляних споруд різного призначення. Оскільки споруди із чистих „хвостів” не відповідають екологічним вимогам, пропонується підвищити їх звязність додаванням покривних суглинків, які звичайно використовують при будівництві насипів.

У результаті проведених досліджень вдосконалені й використані для розвязання поставленої задачі - підбору складу сумішей і вивчення їх властивостей - наступні методи дослідження ущільненості ґрунтів та сумішей: метод динамічного ущільнення спеціально приготованих зразків ґрунтів і сумішей, який забезпечує встановлення оптимальної вологості та максимальної питомої ваги скелета суміші у вибраному або заданому діапазоні ущільнюючих дій за неможливості бокового розширення сумішей при ущільненні;

метод оцінювання характеристики ґрунтів та сумішей при ущільнені їх в умовах можливості бокового розширення механізованими ущільнювачами у лотках і польових умовах, який дає змогу дослідити закономірності ущільнення в широкому діапазоні ущільнюючих дій, питомого обєму скелета ґрунту й вологості;

метод визначення необхідного ступеня ущільнення ґрунтів та сумішей із умови забезпечення вибраних або заданих показників їх механічних властивостей.

Запропоновано та обґрунтовано загальну методику підбирання оптимального складу ґрунтової суміші з використанням відходів гірничого виробництва - „хвостів” для влаштування земляних споруд. На основі використання перелічених методів експериментальним шляхом для „хвостів” Полтавського ГЗК було встановлено оптимальний склад суміші із 70% „хвостів” і 30% покривного пилуватого середнього суглинку. При такому складі суміш набула властивостей звязного ґрунту, що підтверджено численними лабораторними й лотковими випробовуваннями за методикою її динамічного ущільнення.

При проведенні лоткових експериментальних досліджень ущільненості сумішей виявлено, що в умовах обмеженої можливості бокового розширення спостерігаються залежності, які отримані в лабораторних умовах. Розрахункові схеми взаємозвязку фізико-механічних характеристик ґрунтів справедливі, як при ущільнені сумішей у лабораторних умовах, так і при дослідженні їх ущільненості в лотку.

Номограми ущільнення сумішей конкретним ущільнювачем, які рекомендуються для практичного використання, дозволяють визначити: максимальну щільність суміші при відомій вологості й заданій кількості ущільнюючих впливів; оптимальну вологість для будь-якої величини ущільнюючих впливів, мінімальну кількість ущільнюючих впливів, що необхідна для ущільнення ґрунту та суміші до заданої щільності при відомій вологості.

Проведені експериментальні дослідження ущільненості сумішей дозволили виділити основні принципи встановлення взаємозвязку між результатами лабораторних, польових і лоткових досліджень. Запропонований метод визначення необхідного ступеня ущільнення ґрунтів та сумішей із умови забезпечення заданої міцності й стійкості земляних споруд оснований на використанні механічних характеристик, які виявляються методом суміщених досліджень пенетрацєю та обертальним зрізом, і розрахункових схем взаємозвязку фізико-механічних властивостей ґрунтів та сумішей.

За допомогою програмного комплексу “PRIZ-Pile” для ПЕОМ, що реалізує метод кінцевих елементів у фізично й геометрично нелінійній постановці, створеному в Полтавському НТУ, вперше виконано математичне моделювання процесів ущільнення глинистих ґрунтів і сумішей, які мають місце у лабораторних та польових умовах. Такий підхід до оцінювання ущільнення ґрунтів і їх сумішей відкриває великі можливості інтенсифікації проектної справи при будівництві земляних споруд.

Установлено, що механічні властивості насипу із запропонованого складу суміші (70% відходів збагачення залізної руди - „хвостів” і 30% покривних пилуватих суглинків) істотно вище, ніж такого ж насипу з покривних пилуватих суглинків. Цей факт дозволяє обґрунтувати економічний аспект використання суміші як наслідок зменшення товщини дорожнього покриття, економії бетону й арматури при влаштуванні фундаментів та, нарешті, збільшення крутизни укосів насипу.

Таким чином, використання „хвостів”, які утворюються при збагаченні залізної руди, при влаштуванні насипів дає можливість розвязати кілька різних задач: екологічні - збереження родючих земель і утилізацію відходів гірничої промисловості;

технічні - забезпечення підвищеної міцності земляних споруд;

економічні - заощадження будівельних матеріалів при влаштуванні доріг, фундаментів тощо на основі з ущільненої суміші.

1. Зоценко М.Л., Винников Ю.Л., Єрмакова І.А. Числове моделювання ущільнення ґрунту важкою трамбівкою у шляховому будівництві. // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса, 2001. - № 4. - С. 91-94 (автором визначені параметри моделі ґрунту стосовно моделювання ущільнення ґрунту важкою трамбівкою і порівняння з натурним експериментом).

2. Єрмакова І.А., Зоценко М.Л., Коваленко В.І. Визначення оптимальних характеристик ущільнення і складу ґрунтових сумішей з умови забезпечення заданих характеристик механічних показників: Збірник наукових праць “Армування ґрунтового масиву при будівництві, реконструкції, захисті будівель та споруд”. - Київ: НДІБК, 2001. - № 55. - С. 38-43 (автором запропоновано оптимальні характеристики ущільнення ґрунтових сумішей).

3. Коваленко В.І., Єрмакова І.А. Використання “хвостів” Полтавського ГЗК у дорожньому будівництві: Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава, 2002. - № 9. - С. 32-35 (автором розроблено методику поліпшення будівельних властивостей “хвостів” шляхом добавки глинистого ґрунту).

4. Єрмакова І.А., Троценко Д.О., Алпатов Ю.В. Аспекти наукового супроводження проектування і будівництва при необхідності поліпшення будівельних властивостей ґрунтів: Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава, 2002. - № 9. - С. 64-67 (автором викладено методику поліпшення властивостей слабких ґрунтів шляхом ущільнення трамбівками й різноманітними котками).

5. Єрмакова І.А. Динамічне ущільнення суміші ґрунту і хвостів ГЗК при спорудженні насипів і зворотних засипок. - Київ: НДІБК, 2003. - С. 130-135.

6. Єрмакова І.А. Особливості встановлення взаємозвязку між результатами динамічного ущільнення і показниками механічних характеристик: Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава, 2003. - № 12. - С. 91-95.

7. Винников Ю.Л., Коваленко В.І., Єрмакова І.А. Визначення наведених параметрів штучних основ з укочуванням ґрунту шляхом математичного моделювання: Научно-технический сборник „Коммунальное хозяйство городов”. Выпуск 53. Серия: Технические науки и архитектура. - Киев: Техника, 2003. - С. 302-309 (автором визначені параметри і граничні умови для моделювання штучних основ з укочуванням ґрунту).

8. Єрмакова І.А. Польові дослідження динамічного ущільнення ґрунтів і ґрунтових сумішей: Збірник наукових праць. Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. - Випуск 14. - Полтава, 2004. - С. 69-73.

9. Єрмакова І.А., Лапін М.І., Титаренко В.А. Екологічний підхід при будівництві будівель і споруд на насипах: Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України (у 2-х томах, том 2). Вип. 61. - Київ: НДІБК, 2004. - С. 313-320 (автором запропоновано способи використання “хвостів” як відходів при збагаченні залізної руди на гірничозбагачувальних комбінатах).

10. Винников Ю.Л., Пащенко А.М., Єрмакова І.А. До моделювання ущільнення ґрунтової суміші // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. - Вып. 63. - К.: Техника, 2005. - С. 86-90 (автором визначені параметри моделі ґрунтової суміші, стосовно моделювання методом кінцевих елементів ущільнення в лотку укочуванням шару кінцевої товщини суміші).

Размещено на .ru