ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

УДК 625.7/8

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗОЛОШЛАКОВЫХ СМЕСЕЙ В ПРИБОРАХ ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

А.А. Лунёв, В.В. Сиротюк

ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск

Аннотация. В статье рассматриваются результаты лабораторных испытаний золошлаковых смесей из отвала Омской ТЭЦ-4, работающей на Экибастузском угле. В статье описывается порядок c способ изготовления образцов разной плотности, методика испытаний в приборах трехосного сжатия и результаты исследования.

По результатам экспериментов построены эмпирические зависимости деформационных параметров золошлаковой смеси в зависимости от плотности скелета грунта. Сделаны выводы касательно свойств этого техногенного грунта по сравнению с природными грунтами.

Ключевые слова: золошлаковая смесь, лабораторные испытания, деформативные характеристики, приборы трехосного сжатия.

Введение

В пригородах многих мегаполисов Российской Федерации идет активное строительство объектов транспортной инфраструктуры и подготовка площадок под строительство зданий и сооружений. При этом повсеместно в окрестностях крупных городов отмечается дефицит грунтов пригодного качества. При этом около большинства мегаполисов имеются отвалы угольных теплоэлектростанций, вмещающие миллионы тонн золошлаковых отходов. Согласно многим исследованиям было установлено, что ЗШС могут быть использованы для отсыпки земляного полотна автомобильных дорог и планировочных насыпей при выполнении 98 вертикальной планировки территорий [1-8].

Несмотря на то, что в последние годы отмечается повышенный интерес к использованию этого техногенного грунта в дорожном, промышленно и гражданском строительстве масштабных исследований по определению механических свойств и прочностных параметров золошлаков до сих пор не проводилось. Поэтому многие организации оставляют без внимания этот класс материалов.

В данной статье приведены только результаты испытаний образцов золошлака, чтобы определить зависимость между степенью уплотнения (коэффициентом уплотнения) и деформационными параметрами золошлаковой смеси (модулем упругости Ey, и коэффициентом Пуассона μ), в условиях трехосного сжатия.

Изготовление образцов

Отбор проб золошлаковых смесей производился на золоотвале Омской ТЭЦ-4, в разных местах, как в плане, так и по глубине намыва согласно ГОСТ 12071 [9].

Для исследований в приборе трехосного сжатия (стабилометре) изготавливали образцы нарушенной структуры с заданной плотностью. Для этого использовали большой прибор стандартного уплотнения СоюзДорНИИ. Его заполняли послойно с уплотнением каждого слоя заранее установленным числом ударов.

После уплотнения, прибор стандартного уплотнения с ЗШС помещали в гидравлическое устройство. Гильзу для изготовления образца смазывали тонким слоем технического вазелина и устанавливали режущей кромкой на центр верхней части подготовленного массива грунта. Затем вдавливали гильзу в грунт, используя устройство гидравлического вдавливания производства НПП ГЕОТЕК. Далее, форму размыкали и вынутую гильзу зарезали заподлицо с краем гильзы. В случае выкрашивания частиц с торца образца, он браковался. Процесс вырезания образца показан на рисунке 1.

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Рис. 1. Изготовление образцов для стабилометрических испытаний:

а – вдавливание гильзы в массив ЗШС; б – срезка образца заподлицо с краями гильзы

Готовые образцы взвешивали для контроля степени уплотнения, визуально осматривали кромки и производили консервацию путем заматывания гильзы с образцом в пленку из полиэтилена. Готовые образцы хранились в холодильной установке при температуре 4°C.

Проведение экспериментов

Модуль деформации определяли в камере прибора трехосного сжатия в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при:

Рис. 2. Установка образца в резиновую форму:

а – резиновая форма в обойме; б – образец с закрепленным пористым штампом.

Перед снятием разъёмной формы, подключали устройство для создания вакуума: подключали трубки на верхний и нижний дренаж стабилометра и снижали давление внутри образца на 20 кПа. После этого снимали форму, не опасаясь разрушения образца (создавалось всестороннее обжатие в 20 кПа за счет атмосферного давления).

Готовый образец выдерживали в течение 15 минут и при сохранении пониженного давления устанавливали в камеру прибора. В нижней и верхней частях камеры устанавливались резиновые уплотнители, промазанные техническим вазелином для герметизации камеры от утечек, и устанавливали стеклянный корпус прибора, закрепляя его тремя становыми винтами.

В верхней части устанавливали шток для передачи вертикальной нагрузки, а следом камеру

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

устройство бокового нагружения, датчик перемещения и дренажные трубки (рисунок 3а). Камеры в процессе испытаний приведены на рисунке 3 б.

Рис. 3. Стабилометр типа А, производства НПО ГЕОТЕК:

а – камера с подключенными трубками; б – батарея приборов трехосного сжатия.

Исследования проводили по схеме консолидировано-дренированного испытания грунта ГОСТ 12248 [10]. Для этого открывали дренажные трубки и с помощью управляющего программного комплекса задавали соответствующую схему испытаний. Исследование проводилось при боковом давлении 100 кПа для всех образцов.

Результаты исследования

По результатам испытания образцов грунта в условиях трехосного сжатия вычисляли секущие модули упругости, модули деформации при разных значениях девиатора напряжений,

атакже коэффициент Пуассона. Статистическая обработка проводилась по ГОСТ 20522 [11].

Входе каждого испытания строили график вертикальных деформаций от нормальных напряжений, по которому определяли секущий модуль упругости и модули деформации.Примеры графиков представлены нарисунке 4.

Рис. 4. Графики зависимости относительной вертикальной деформации от нормальных напряжений для образцов с коэффициентом уплотнения 0,95

В рамках стабилометрических испытаний определяли секущие модули упругости, являющиеся необходимым элементом для моделирования деформативности грунтов с использованием модели Hardening Soil. Этот показатель представляет собой модуль деформации грунта при половине значения девиатора напряжений в момент разрушения. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты определения секущих модулей упругости

Помимо секущих модулей деформации, по графикам были определены модули

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Выводы

1.Исследуемая золошлаковая смесь относится к среднедеформируемым грунтам по классификации ГОСТ 25100 [13].

2.В рамках испытаний на трехосное сжатие отмечено изменение характера разрушения грунта в зависимости от степени его уплотнения (переход от типа разрушения «бочка» к разрушению со сколом массива), что вызывает необходимость изучения особенностей структурного сцепления ЗШС с повышенной плотностью.

3.Значения коэффициента Пуассона в ходе стабилометрических испытаний оказались существенно ниже, чем по предположениям, построенным на анализе экспериментов Биареза, Брукера, Михайловского, Jaky, Mayne, Kulhawy для природных грунтов [14]. Возможно, это связано с боковым обжатием образцов или их недостаточным уплотнением, что требует дополнительной серии испытаний без бокового давления.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-48-550508 р_а). Научные исследования по теме «Исследования деформационных характеристик золошлаковых смесей в приборах трехосного сжатия» выполнены за счет средств бюджета Омской области

Библиографический список

1.Иванов, Е.В. Экспериментальное исследование и математическое моделирование промерзания земляного полотна из золошлаковой смеси / Е.В. Иванов, А.Л. Исаков, В.В. Сиротюк // Вестник СибАДИ. – 2013. – №3 (31). – С. 71-76.

2.Лунёв, А.А. Применение золошлаковых смесей для вертикальных планировок и строительства городских дорог/ В.В. Сиротюк, А.А. Лунёв // Техника и технологии строительства. – 2015. – С. 24-31.

3.Иванов, Е.В. Обоснование применения золошлаковых смесей для строительства земляного полотна с учетом водно-теплового режима: дис… канд. техн. наук: 26.02.15: защищена 26.02.2015: утв. 01.07.2015 / Е.В. Иванов; науч. рук. проф. В.В. Сиротюк. –Омск, 2015.– 165 с.

4.Балюра, М.В. Исследование строительных свойств золы Томской ГРЭС-2 / М.В. Балюра // Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии, оснований и фундаментов: сборник научных трудов – Томск: Изд-во ТГУ, 1988. – С. 97-104.

Международной конференции по геотехнике. – № 4. – СПб., 2008. – С. 673-677.

6.Investigation and design of fly ash road embankments in India by CPT / A.K. Sinha, V.G. Havanagi, S. Mathur, U.K. Guruvittal // 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, Huntington Beach, CA, USA. – Volume 2&3: Technical Papers, Session 3: Applications, Paper – No. 3-49.

7.Full-scale experimentations on alternative materials in roads: Analysis of study practices / D. Francois, A. Jullien, J.P. Kerzreho, L. Chateau // Waste management, 2009. – pp. 1076-1083.

8. Santos, F. Geotechnical properties of fly-ash and soil mixtures for use in highway embankments /

F.Santos, L. Li, Y. Li, F. Amini // World of Coal ash (WOCA) Conference – Denver, 2001. – pp. 93-104.

9.ГОСТ 12071-2014. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов.– Введ. 2015-07-01. – М.:Стандартинформ, 2015.– 10 с.

10.ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – Введ. 2012-01-01. – М.: Стандартинформ, 2011. – 88 с.

11.ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – Введ. 2013-07-01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 16 с.

12.Болдырев, Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. / Г.Г. Болдырев. - Пенза: Изд-во ПГУАС, 2008. – 696 с.

13.ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация– Введ. 2013-07-01. – М.: Стандартинформ, 2013.– 16 с.

14.Александров, А.С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу.

Ч1. Состояние вопроса: монография / А.С. Александров. – Омск: СибАДИ, 2015. – 292 с.

RESEARCH DEFORMATION CHARACTERISTICS OF ASH AND SLAG MIXTURES

IN TRIAXIAL TEST MACHINE

A.A. Lunev, V.V. Sirotyuk

Abstract: The article discusses the results of laboratory tests of ash mixtures from Omsk’s TPP-4 running on Ekibastuz coal. This article describes the method of manufacture samples with different density, the method of testing instruments in triaxial test machine and the research results.

According to the results of experiments constructed empirical relationships deformation parameters of ash and slag mixture, depending on the soil skeleton density. The conclusions regarding the properties of technogenic