Результат интеллектуальной деятельности: МЕХАНИЧЕСКИ СВЯЗНЫЙ ДИСПЕРСНЫЙ ГРУНТ

Изобретение относится к области техногенных антропогенных дисперсных грунтов и может быть использовано в качестве оснований зданий и сооружений.

Известны дисперсные связные и несвязные природные грунты, состоящие из совокупности твердых частиц, зерен, обломков и др. элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи.

Недостатком связного дисперсного природного грунта является низкий коэффициент фильтрации.

Недостатком несвязного дисперсного природного грунта является отсутствие сцепления.

Поиск по патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналоги механически связного дисперсного грунта не обнаружены.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - получение нового дисперсного грунта, обладающего одновременно свойствами связных и несвязных дисперсных грунтов - механическим сцеплением и высоким коэффициентом фильтрации, расширение сырьевых ресурсов, утилизация твердых коммунальных отходов.

Поставленная задача была решена за счет того, что механически связный дисперсный грунт представляет собой смесь твердых коммунальных отходов, в которых закончились процессы биологического разложения, с природным дисперсным грунтом и является новым подклассом дисперсных грунтов, обладающим только механическими структурными связями, но не обладающим сыпучестью в сухом состоянии.

Твердые коммунальные отходы (ТКО) представляют собой отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, товары, утратившие свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых помещениях в целях удовлетворения личных и бытовых нужд, а также отходы, образующиеся в процессе деятельности юридических лиц, индивидуальных предпринимателей и подобные по составу отходам, образующимся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами.

Твердые коммунальные отходы в настоящее время складированы на значительных территориях Российской Федерации и никак не используются. Использование твердых отходов в качестве оснований запрещено правилами проектирования (СП 22.13330-2011. п. 6.6.4).

После окончания процессов биологического разложения твердые коммунальные отходы имеют крупность частиц не более 20 мм, характеризуются физическими и механическими характеристиками. Физические характеристики и классификационные показатели ТКО - удельный вес, удельный вес твердых частиц, влажность, морфологический состав, зерновой состав, содержание органического вещества, эмиссия газа, степень биологического разложения отходов, водопроницаемость. Механические характеристики ТКО - угол внутреннего трения, механическое сцепление, аналогичное удельному сцеплению связных природных дисперсных грунтов, модуль общей деформации, коэффициент относительной поперечной деформации, коэффициент сжимаемости, коэффициент компрессии, коэффициент вторичной консолидации. Степень биологического разложения, сроки и скорость его завершения в твердых коммунальных отходах устанавливаются экспериментально по известным методикам.

Смесь разложившихся твердых коммунальных отходов с природным дисперсным грунтом представляет собой техногенный антропогенный дисперсный грунт.

Техногенный антропогенный дисперсный грунт, представляющий собой смесь старых ТКО, в которых закончились процессы биологического разложения, с природным дисперсным грунтом, состоит из зернистых и волокнистых составляющих и обладает механическими структурными связями. Доля зернистых составляющих в этом грунте более 50%. В результате сочетания зернистых и волокнистых составляющих такой механически связный грунт, наряду с углом внутреннего трения, обладает прочностной характеристикой, аналогичной удельному сцеплению связных дисперсных природных грунтов, которую уместно называть механическим сцеплением. При этом коэффициент фильтрации таких механически связных грунтов составляет порядка n×10^-1 см/с, как у несвязных дисперсных природных грунтов, в результате чего в таких грунтах практически не развивается поровое давление и процесс фильтрационной консолидации. Другими словами, такой механически связный грунт обладает одновременно и такой прочностной характеристикой как сцепление, и высоким коэффициентом фильтрации.

Смесь твердых коммунальных отходов, в которых закончились процессы биологического разложения, с природным дисперсным грунтом отличается выраженным грунтоподобным поведением под нагрузкой. При испытаниях такого материала методом одноплоскостного среза в сдвиговом приборе или трехосными испытаниями в приборе трехосного сжатия, определяются как угол внутреннего трения, так и удельное сцепление как у связных грунтов. В тоже время коэффициент фильтрации такого материала измеряется порядками n×10^-1 см/с как у несвязных грунтов. В результате высокого коэффициента фильтрации, поровое давление в таком материале при приложении нагрузки практически не развивается, фильтрационная консолидация отсутствует, фаза уплотнения развивается и заканчивается очень быстро, практически в период приложения нагрузки, и после окончания процесса уплотнения начинает развиваться фаза вторичной консолидации. Механически связным грунтам присущи свойства, характерные как для связных - угол внутреннего трения и удельное сцепление, так и для несвязных грунтов - высокий коэффициент фильтрации.

Отнесение смеси твердых коммунальных отходов, в которых закончились процессы биологического разложения, с природным дисперсным грунтом к новому подклассу механически связных грунтов стало возможным благодаря установленному экспериментально у них такому свойству как быстрое уплотнение под нагрузкой без развития порового давления и фильтрационной консолидации.

В механике грунтов и геотехнике различают два подкласса дисперсных грунтов, а именно несвязный грунт и связный грунт.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011, раздел 3 «Термины и определения»:

- дисперсный грунт, это грунт, состоящий из совокупности твердых частиц, зерен, обломков и др. элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи (п. 3.9).

- несвязный грунт, это дисперсный грунт, обладающий механическими структурными связями и сыпучестью в сухом состоянии (п. 3.23).

- связный грунт, это дисперсный грунт с физическими и физико-химическими структурными связями (п. 3.37).

Механически связный грунт представляет собой дисперсный грунт, обладающий механическими структурными связями, но не обладающий сыпучестью в сухом состоянии. В этом его основное отличие от несвязного дисперсного грунта. От связного дисперсного грунта механически связный грунт отличается тем, что в нем присутствуют только механические структурные связи и отсутствуют физические и физико-химические.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 к классу дисперсных грунтов относят грунты, обладающие физическими, физико-химическими или механическими структурными связями (раздел 5.2). В классе дисперсных грунтов, согласно ГОСТ 25100-2011, выделены два подкласса грунтов - несвязные и связные (табл. 2). Грунты, обладающие механическими структурными связями и сыпучестью в сухом состоянии выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс связных грунтов. Механически связный грунт, обладающий только механическими структурными связями, но не обладающий сыпучестью в сухом состоянии, не относится ни к подклассу несвязных, ни к подклассу связных грунтов.

Механически связный дисперсный грунт, в соответствии с классификацией ГОСТ 25100-2011, характеризуется одновременным наличием взаимоисключающих, для обычных (связных и несвязных) грунтов, характеристик, таких как сцепление, как у связных дисперсных грунтов и высокий коэффициент фильтрации порядка n^-1 см/с, как у несвязных дисперсных грунтов.

Таким образом, механически связный грунт представляет собой новый подкласс дисперсных грунтов. Тип - техногенный грунт. Подтип антропогенно образованные грунты.

Были исследованы физико-механические характеристики механически связного грунта. Дана оценка соответствия смеси твердых коммунальных отходов после окончания процессов биологического разложения с природным дисперсным грунтом требованиям, предъявляемым к грунтам оснований зданий и сооружений.

В результате экспериментальных исследований установлено, что кривая ползучести механически связных грунтов при постоянной нагрузке аппроксимируется степенной зависимостью. Это свидетельствует об отсутствии процесса фильтрационной консолидации. Форма кривой уплотнения механически связных грунтов аналогична несвязным природным грунтам, но при этом прочностные и деформационные характеристики значительно выше за счет мобилизации под нагрузкой механического сцепления. Характер деформирования механически связных грунтов значительно отличается от природных. Относительные деформации при увеличении нагрузки на механически связные грунты могут превышать 30%, но при этом будет происходить не разрушение образцов, а деформационное упрочнение. Такое напряженно-деформированное поведение не характерно для природных грунтов, у которых разрушение при возрастании нагрузки возникает при относительной деформации порядка 5-7%.

Проведенные исследования показали, что твердые коммунальные отходы после окончания процессов биологического разложения, в смеси с дисперсным грунтом могут быть использованы в качестве оснований зданий и сооружений.

Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет получить новый дисперсный грунт, обладающий одновременно свойствами связных и несвязных дисперсных грунтов - механическим сцеплением и высоким коэффициентом фильтрации, расширить сырьевые ресурсы и эффективно утилизировать твердые коммунальные отходы.