Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние вопроса о строительстве внутрихозяйственной оросительной сети на просадочных грунтах 12
I.I.Особенности возведения и работы внутрихозяйственной сети современных оросительных систем на лессовых грунтах 12
1.2. Обзор существующих способов силикатизации лессовых грунтов 23
1.3.Цели и задачи исследований 32
ГЛАВА II. Инженерно-геологические условия района проведения полевых исследований. методика и объем экспериментов ' 38
2.1.Инженерно-геологические условия района прове
дения полевых исследований 38
2.2. Методика и объем проведенных экспериментальных исследований 43
2.2.1.Meтодика и объем полевых опытов 43
2.2.2.Методика и объем лабораторных исследований 58
ГЛАВА III. Результаты исследований по закреплению лессовых грунтов при свободной пропитке их силикатным раствором б5
3.1.Выявление возможности закрепления грунтов при свободной пропитке силикатным раствором
3.2.Разработка конструкции столбов-свай из закрепленного раствором силиката натрия лесса 3.3. Изучение изменений основных характеристик лессовых грунтов при свободной пропитке их раствором силиката натрия 86
3.4. Изучение работы лотков-каналов на лессовой толще, закрепленной свободной пропиткой раствором силиката натрия 100
ГЛАВА ІV. Разработка рекомендаций по фундированию лотков-каналов и других гидротехнических сооружений внутрихозяйственной оросительной сети с использованием закрепления лессов свободной пропиткой раствором силиката натрия III
4.1.Установление оптимальных схем фундирования гид ротехнических сооружений внутрихозяйственной оросительной сети с использованием рассматриваемого способа закрепления лессов 111
4.2. Рекомендации по методике расчета свайных опор из силикатизированных лессов 123
4.3.Результаты фундирования лотков-каналов предлагаемым способом в производственных условиях,его технико-экономические показатели на перспективы использования в мелиоративном и сельскохозяйственном строительстве 130
Основные выводы 137
Литература
- Обзор существующих способов силикатизации лессовых грунтов
- Методика и объем проведенных экспериментальных исследований
- Изучение изменений основных характеристик лессовых грунтов при свободной пропитке их раствором силиката натрия
- Рекомендации по методике расчета свайных опор из силикатизированных лессов
Введение к работе
Актуальность вопроса. Решениями ХХУІ съезда КПСС и Продовольственной программой, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС в нашей стране намечена широкая программа мелиорации земель. В I98I...I985 годах предусматривается селъхозосвоение около 4- млн.га новых орошаемых площадей /1,9/, значительная часть которых в Средней Азии, Казахстане, на Украине, в Молдавии, Закавказье сложены структурно-неустойчивыми лессовыми грунтами /7/. Сложность строительства на которых общеизвестна /2/.
Интенсификация освоения орошаемых земель, наряду с увеличением капиталовложений, требует сокращения сроков строительства оросительных систем в 2...3 раза с уменьшением их стоимости. При этом следует учитывать разбросанность гидротехнических сооружений по огромной территории, отсутствие дорог, электроэнергии, воды, необходимость ликвидации просадочности в мощных толщах (25...38 м и выше) лессовых грунтов. Все это приводит к дополнительному увеличению сроков освоения земель и их стоимости. Например, в Таджикистане где почти все вновь осваиваемые земли размещаются на просадочных грунтах, капитальные вложения достигают 9000 руб на I га.
В настоящее время наиболее распространенным способом подготовь ки оснований сооружений на сильнопросадочных грунтах является предварительное замачивание в советании с механическим уплотнением верхних горизонтов грунтового основания. Предварительное замачивание - наиболее простой способ ликвидации просадочности лессовых грунтов в массивах значительной мощности - имеет ряд недостатков, а именно: длительность проведения работ, большой расход воды, невысокая степень уплотнения. В последние годы в ирригации используются более эффективные противопросадочные мероприятия, к которым можно отнести уплотнение лесса тяжелыми трамбовками, гидровибрированием, электроискровым способом и подводными взрывами; устройство "подушек" из грунта, переработанного землеройными механизмами Д...17/. Од- нако указанные способы имеют определенные недостатки, ограничивающие их широкое применение в водохозяйственном строительстве: неравномерность уплотнения лессов, значительные объемы перерабатываемого грунта, невозможность использования некоторых методов (гидровибрирование, электроискровое уплотнение) из-за отсутствия достаточного количества применяемого оборудования.
Среди известных методов упрочнения наибольший практический интерес представляет силикатизация лессовых грунтов. Важными преимуществами этого способа подготовки лессовых оснований, предложенного Аскалоновым В.В. /18,П4/, являются быстрый процесс закрепления грунтов с достаточной прочностью (до 2,0...2,5 МПа), приобретение водоустойчивости, ликвидация просадочности. Сам силикат натрия, используемый для закрепления, хорошо растворяется в воде, и вязкость его раствора близка к вязкости воды. Указанный метод упрочнения получил довольно широкое применение в гражданском и промышленном строительстве /19...25/, однако в мелиоративном строительстве пока не применяется. Основная причина, препятствующая применению силикатизации, заключается в сложности и трудоемкости существующего технологического процесса, необходимости использования специального оборудования, для проведения этих работ (насосы, компрессоры, инъ-екторы, разводящая сеть, контрольно-регулирующая аппаратура). Другим важным недостатком способа является то, что лишь 50 подаваемого раствора жидкого стекла участвуют в процессе закрепления, а остальная часть - под значительным давлением (до б атм) заполняет крупные поры. Эти причины приводят к высокой стоимости I м3 закрепленного грунта (10...15 руб) /3,18/.
Учитывая, что нагрузки от ирригационных сооружений, как правило, не превышают 0,2 МПа, а силънопросадочные лессы-грунты довольно водопроницаемы, представляется возможность упростить технологию «иликатизации лессов, уменьшить стоимость кубометра закрепленного грунта таким образом, чтобы предлагаемый метод был бы конкурентоспособным в мелиоративном строительстве. Для этого предлагается (авторское свидетельство Ш 863765) осуществлять пропитку лес-" сов раствором силиката натрия через предварительно пробуренные скважины, получая в грунтовом массиве своеобразные столбы-сваи из грунта с повышенной прочностью - водоустойчивого и непросадочно-го.
Цели и задачи работы. Основная цель исследований - повышение эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений внутрихозяйственной оросительной сети, сокращение сроков строительства и уменьшение их стоимости за счет использования нового метода безнапорной силикатизации лессовых просадочных грунтов.
Задачами исследования являются:
- выявление возможности закрепления сильнопросадочных лессовых грунтов нарушенной и ненарушенной структуры природной влажности свооодной пропиткой крепящим раствором через пробуренные скважины и с поверхности котлованов;
- разработка новой технологии создания свайных опор для лотковых каналов и сооружений оросительных систем из силикатизирова-нных грунтов;
- изучение особенностей работы свайных опор из закрепленного, грунта в основаниях лотковой сети при эксплуатации оросительных систем (в условиях замачивания);
- разработка метода расчета свайных опор лотковых каналов из силикатизированных лессовых грунтов;
- технико-экономическая оценка предложенного способа подготовки оснований при применении его в мелиоративном строительстве;
- разработка на основе данных экспериментальных исследований рекомендаций по использованию химического закрепления лессовых грунтов методом силикатизации по новой технологии для устройства свай при строительстве лотков и других гидротехнических сооружений мелиоративных систем.
Методика и объекты исследований. Экспериментальные исследования по данной теме проводились, главным образом, в полевых условиях: на Колхозабадском научно-исследовательском полигоне Министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР и Караул-Тюби-нском массиве, сложенных средне- и сильнопросадочными лессовыми грунтами /97/. При разработке способа закрепления грунтов свободной пропиткой силикатом натрия определялись основные характеристики упрочненного грунта в зависимости от концентрации и объема заливаемого раствора, габаритных размеров скважин (котлованов),технологических условий создания силикатированных столбов-свай. Подготовка опытных объектов осуществлялась следующим образом: скважины заданных параметров (диаметра и глубины) бурились передвижным буровым станком УГБ-50. Жидкое стекло (ГОСТ 13078-67) плотностью 1,4-2 г/см3 разводилось в передвижной емкости на базе автомобиля ЗИЛ-І30 до рабочей концентрации (f= I,U25...1,13 г/см3),с последующей заливкой с поверхности в подготовленные скважины или котлованы.
Изучение условий работы свайных опор из закрепленного грунта как основания лотковой сети в условиях замачивания проводилось на участке канала длиной 36 м, выполненном из ненапряженных лотков марки ЛР-Ю. Нагрузка от лоткового оросителя передавалась на грунтовые сваи из закрепленного лесса глубиной до I0...1I м. Вокруг упрочненных опор отрывались котлованы диаметром, позволяющим имитировать поступление воды в основание лотковой сети при эксплуатации системы. Участок лоткового канала был оборудован системой глубинных и поверхностных марок для наблюдения за совместной работой закрепленных свай и окружающего массива в условиях замачивания и радиометрическими скважинами для выявления особенностей продвижения фронта увлажнения с помощью нейтронного индикатора влажности НИВ-2.
В лабораторных условиях были осуществлены опыты, позволившие" выявить характер распределения объемной массы скелета грунта и влажности при силикатизации; определить прочностные, деформативные и фильтрационные характеристики закрепленного грунта, изучить их изменение во времени в условиях замачивания закрепленного массива, установить особенности размокания грунта в оросительной воде. Лабораторные исследования осуществлялись по стандартным методикам.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование лессовых грунтов закрепленных безнапорной силикатизацией в натурных условиях под различными элементами оросительной сети.При этом разработаны и изучены:
- технология силикатизации лессов свободной пропиткой через пробуренные скважины; выявлено влияние диаметра скважины, концентрации и объема заливаемого в нее раствора на прочностные и деформационные характеристики закрепленного лесса; определена возможность степени повышения прочности закрепленного грунта и установлены основные факторы, влияющие на эффективность закрепления;
- конструкция столбов-свай из закрепленного лесса, которые могут быть использованы в ирригационном строительстве;
- методика расчета столбов-свай из закрепленного лесса при строительстве лотковых каналов;
- особенности работы лотков-каналов, возведенных на сваях из силикатизированного лесса, в процессе эксплуатации этих гидротехнических сооружений на орошаемых полях;
- технико-экономическая оценка предлагаемого способа строительства ирригационных сооружении. Практическая ценность и внедрение работы. Предложенный новый способ строительства гидротехнических сооружений оросительных систем, защищенный авторским свидетельством т 863765, позволяет значительно сократить сроки строительства лотковых каналов и других гидротехнических сооружений оросительных систем и уменьшить СТОИМОСТЬ подготовки их оснований на просадочных грунтах. Определена область применения этого способа при строительстве ирригационных сооружений; разработано и утверждено научно-техническим советом министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР (протокол Ш 3 от 28.Jii.8I г.) руководство по технологии создания свай силикатизацией лессов при строительстве лотков и других гидротехнических сооружений на сильнопросадочных грунтах. полученные результаты позволили внедрить предложенный способ в производственных условиях на объектах треста Вахшводстрой Министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР. Применение метода силикатизации при экспериментальном строительстве лотковых оросителей P-2-I-I в колхозе им.Ленина Пянджского района и 2МК Ку-мсангирского района республики позволило сократить сроки строительства в 5 раз, значительно снизить себестоимость строительно-монтажных работ и удельные капитальные вложения. На основе этого опыта по плану внедрения новой техники и передовой технологии треста Вахшводстрой в 1982 г. осуществлено строительство 4 км лотков-каналов 2 МК в Кумсангирском районе с экономическим эффектом 20,2 тыс.рублей и в 1983 г. построено 10,8 км лотковых оросителей с экономическим эффектом 4-7,5 тыс.рублей (Приложение I). Разработанный метод использован Министерством сельскохозяйственного строительства Таджикской ССР при строительстве одноэтажного двухквартирного дома на новоосваиваемых землях совхоза "Субтропики" с экономическим эффектом 3 тыс.рублей (Приложение 2).
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на семинарах и школах передового опыта Министерства мелиорации и во-" дного хозяйства Таджикской CGP (1978,1979 гг.), научно-технической конференции молодых ученых Таджикского"!НИИ почвоведения(1980г.) научно-технических советах ВНЙИГиМ и Министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР (1981 г.).
Основные положения диссертации доложены в 1983 г. на заседании секции гидротехники и гидравлики Ученого Совета ВНЙИГиМ им. А.Н.Костякова.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трудах ВНЙИГиМ (1978 г.), республиканских изданиях (1979 г.,1980 г.). Разработано и утверждено руководство по строительству гидротехнических сооружений на сильнопросадочных лессовых грунтах с использованием безнапорной силикатизации (1981 г.); получено авторское свидетельство на изооретение Ш 863765 (1981 г.).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы (122 наименования), приложений 1,2, содержит 154 страницу машинописного текста, 28 таблиц и 30 рисунков.
В первой главе проводится обзор особенностей строительства • внутрихозяйственной сети оросительных систем на просадочных грунтах, способов закрепления и современного состояния разработки метода силикатизации; определены цели и задачи, решаемые при экспериментальном апробировании новой технологии.метода силикатизации при упрочнении лессов.
Во второй главе дается описание инженерно-геологических условии опытного участка и основных характеристик грунтов районов внедрения, приводятся объемы выполненных исследований и методика их осуществления.
В третьей главе представлен фактический материал, полученный на основании полевых, лабораторных и полупроизводсшвенных экспериментов.
Четвертая глава посвящена анализу экспериментальных данных, установлению оптимальных характеристик закрепления. Здесь приводится разработанный автором метод расчета силикатированных столбов-свай, рассматриваются основные положения, связанные с внедрением способа силикатизации по новой технологии закрепления, дается технико-экономическая оценка предложенного метода химического закрепления лессовых сильнопросадочных грунтов в основаниях гидротехнических сооружений мелиоративных систем.
Проведенные исследования позволили обосновать строительство лотковых оросителей и отдельных гидротехнических и гражданских сооружений, возводимых на мелиоративных системах на сильнопросадоч-ных лессовых грунтах, закрепленных безнапорной силикатизацией.
Исследования по теме диссертационной работы проведены автором самостоятельно. Направленность исследований соответствовала основной тематике хоздоговорных и научно-исследовательских раоот (7.86, проолема U.U6) по мелиоративному строительству на лессовых грунтах закрепленных оезнапорной силикатизацией.
Обзор существующих способов силикатизации лессовых грунтов
Методы физико-химического закрепления грунтов приобретают в настоящее время все большее развитие и в значительной степени доведены до практического применения в промышленно-гражданском /19 5/ и дорожном строительстве /26...28/, при создании противофиль-трационных завес /69...71/ и проходке выработок в сложных инженерно-геологических условиях /30...32/.
Наиболее целесообразными применительно к строительству гидротехнических сооружений на просадочных грунтах являются спосооы упрочнения, связанные с химическим изменением структуры грунтов (силикатизация, с применением их производных, цементация, смолиза-ция, битумизация, глинизация), при использовании которых резко уменьшается водопроницаемость, что особенно важно в структурно-неустойчивых грунтах. Однако обработка лессовых грунтов органическими веществами (битумизация, смолизация) или введение добавок (глинизация) позволяет ликвидировать просадочиость и снизить водопроницаемость при незначительном увеличении несущей способности /72, 73,78,79/, в то время как силикатизация дает возможность значительно повысить прочность грунта. Более того именно раствор силиката натрия определенной концентрации приближается по вязкости к вязкости воды и может сравнительно легко проникать в лессовую толщу при пропитке ее оез воздействия дополнительного давления, за счет чего значительно упрощается технология закрепления.
Силикатизация грунтов основана на введении в грунт растворов силиката натрия (растворимого стекла) и его производных, которые при соединении с коагулянтом грунта образует гель кремниевой кислоты, цементирующей минеральные частицы. В песчаных грунтах используется двухрастворная силикатизация /78,79/. заключающаяся в последовательном нагнетании водного раствора жидкого стекла JrasO flSi02 плотностью 1,35 1,44 г/см3 и раствора хлористого кальция плотностью 1,26...1,28 г/см3.
Для лессовых грунтов со значительным содержанием карбонатов и гипса В.В.Аскалоновым в 1949 году предложен однорастворный спо-- соб силикатизации /18/, нагнетанием в него одного раствора жидкого стекла.
Большой вклад в познание физико-химического процесса закрепления лессов внесли Абелев Ю.М., Соколович В.Е., Бекетов А.К. и др. /20...24,84...87/.
Основная реакция взаимодействия раствора силиката натрия с лессовым грунтом описывается по следующей схеме: МааО пЩ+СаА+тНгО- пдіОл(тЧ)НгО (ыг) где А - анионная часть солей, присутствующих в грунте.
Силикатизация лессовых грунтов наиболее целесообразна при коэффициенте фильтрации 0,1 2 м/сут и степени влажности С 0,7. Закрепленный грунт становится непросадочным, маловодопроницаемым с достаточно высокой прочностью - до 2,0 МПа.
В настоящее время закрепление лессовых грунтов однорастворной силикатизацией осуществляется нагнетанием раствора под давлением через инъекторы или нагнетанием его так же под давлением через скважины.
В первом случае в закрепляемый массив погружается на определенном расстоянии ряд инъекторов-труб и в них под давлением до 5 атм подается раствор жидкого стекла. Расстояние между рядами инъ-екторов определяется по формуле: а = 4,73ъ, (ЫЗ) а расстояние между инъекторами в ряду - из выражения: где Z - радиус закрепления от одного инъектора, который может быть определен (в первом приближении) по формуле, предложенной Т.С.Каранфиловым: Z=0,!3\lj!f(l-eHam\ , (LIS) где Z - радиус закрепления, м; К0 - коэффициент фильтраций в вертикальном направлении в начале нагнетания силикатного раст вора, м/сут; И - давление раствора при нагнетании, м.вод.ст; Jb - коэффициент заполнения пор (0,7- 0,9); - пористость в долях единицы; Т - продолжительность инъекции раствора в сутки; О, \Ь - эмпирический коэффициент.
Следует иметь в виду, что при нагнетании водного раствора силиката натрия в лессовый грунт в первые I...3 часа происходит образование геля кремниевой кислоты, заполняющего поровое пространство, что, в свою очередь снижает радиус закрепления. С учетом этого В.В.Асколоновым /18/ был произведен расчет радиуса закрепления в зависимости от коэффициента фильтрации 10%-ного раствора жидкого стекла при И = 3 атм, Т = 3 часа, П - 0,5, Jb = 0,9 (табл.1.5).
Методика и объем проведенных экспериментальных исследований
При полевых исследованиях, проведенных в 1975...1979 гг.,выполнено 55 опытов по упрочнению лессовых грунтов на глубину от 2,5 до 10 11 м. В 37 из них закрепление осуществлялось через пробуренные скважины (табл.2,4, 2.6), 18 других опытов были выполнены при закреплении лессового массива из котлованов (табл.2.5).
При проработке отдельных вопросов, определяемых задачами экс-. периментов, было выполнено следующее количество опытов:
- для выявления возможности закрепления грунтов указанного типа ненарушенной и нарушенной структуры и природной влажности свободной пропиткой крепящего раствора проведено 6 опытов, в 5 из которых упрочнение лессового массива до глубины от 2,5 до 8...9 в осуществлялось при инфильтрации крепящего раствора силиката натрия из скважин, а в одном - из котлована;
- при разработке новой технологии закрепления лессовых силь-нопросадочных грунтов проведено 31 опыт, в том числе: - для выбора наиболее оптимальной технологической схемы закрепления через , скважины 24 (табл.2.4) и из котлованов - 7 (табл.5) опытов;
- изучение влияния глубины бурения на процесс закрепления осуществлялось на скважинах 2,4,6 и 9 м (табл.2.4, серия Ш);
- для выявления работы закрепленных массивов при подаче крепящего раствора через скважины и котлованы в условиях замачивания проведено 30 опытов: 18 - на закрепленных столбах-сваях; 12 - на котлованах. Следует отметить, что в отдельных экспериментах одновременно изучалось несколько вопросов, связанных с целями и задачами исследований.
Каждая из шести групп опытов определяет возможность изучения характеристик закрепления при инфильтрации крепящего раствора через скважины в различных условиях упрочнения.
I группа объединяет опыты, позволяющие определить основные компоненты закрепления: вид зоны радиус упрочнения и его глубину с учетом фильтрационной способности грунта, степень закрепления (в зависимости от диаметра пробуренной скважины).
II группа дает возможность определить зоны закрепления, их глубину, радиус и степень упрочнения (в зависимости от концентрации подаваемого крепящего раствора).
III группа определяет эффект закрепления: зону упрочнения,распределение подаваемого объема силикатного раствора по глубине и
Примечание: УІ серия, графа 3: в числителе - размер стороны квадратного котлована или диаметр скважины в верхней части; в знаменателе - диаметр основной скважины, радиусу при различных глубинах скважин,
В ІV группе рассматриваются характер распределения суммарного объема раствора жидкого стекла по вертикали, характер зоны закрепления и изменения их в зависимости от количества раствора.
V группа позволяет определить характеристики закрепления не только лессовых грунтов природного сложения, но и грунтов ненару шенной структуры с определением основных характеристик их упрочне ния и влияния на зоны закрепления столбов-свай.
VI группа объединяет исследования, связанные с созданием ра вномерно закрепленных массивов по глубине, определением характера зон закрепления за счет создания упрочненных массивов при инфиль трации растворов силиката натрия с поверхности котлованов и сква жин или применения скважин переменных сечений по глубине.
Необходимо отметить, что при проведении полевых опытов исследовались также характер и изменения закрепленных массивов (при идентичных условиях упрочнения) при замачивании оросительной водой. Для изучения процесса закрепления с поверхности из котлованов проведен ряд опытов (табл.2.5).
При создании упрочненных столбов-свай серий І-УІ скважины бурились передвижным станком марки УГБ-50 Срис.2.2). Бурение, с учетом фильтрационной способности лессовых грунтов полигона, производилось на глубину несколько меньшую (на 10...20%), чем требуемая глубина закрепления. После бурения с помощью передвижной емкости крепящий раствор заливался к скважину (рис.2.2). В серии УІ в дополнение к скважине делался котлован размером 1x1x0,15 с последующей одновременной заливкой скважин и котлована раствором силиката натрия рабочей концентрации. Скорость заливки составляла от 3 до б м/мин в зависимости от глубины пробуренных скважин. Перемешивание раствора проводилось или на месте его приготовления или в процессе движения от базы до участка закрепления.
Для повышения качества закрепления (табл.2.4, серия У) после сработки уровня на 0,8...1 м производилась отсыпка лессового грунта, полученного при бурении, в раствор с последующей доливкой силикатного раствора рабочей концентрации (рис.2.2). При проведении опытов (табл.2.5) раствор жидкого стекла заливался с помощью передвижной емкости в подготовленные котлованы в лессовых грунтах естественного залегания (рис.2.2)
Изучение изменений основных характеристик лессовых грунтов при свободной пропитке их раствором силиката натрия
В настоящем параграфе рассматриваются вопросы, связанные с изменением свойств закрепленных лессовых грунтов при свободной пропитке их раствором силиката натрия из скважин и котлованов,что позволяет дать полную оценку этого нового способа закрепления. В процессе проведения лабораторных исследований были определены объемная масса и объемная масса скелета грунта, влажность, прочностные и де-формативные характеристики и их изменения при влагонасыщении, фильтрационные свойства и их изменение при упрочнении лессового грунта, долговечность и размокаемость. Указанные характеристики определялись в зависимости от диаметра скважин и плотности раствора силиката натрия, подаваемого объема раствора и глубины бурения.
В процессе опытов (изучено около 200 образцов) выявлено, что объемная масса грунта и объемная масса его скелета в процессе закрепления несколько увеличиваются , максимально на 12-515%, причем это увеличение находится в прямой зависимости от глубины отбора образца, времени закрепления и от объема раствора, подаваемого на закрепленные грунты. Определенное влияние на увеличение объемной ма-ссы грунта оказывает и повышение влажности, которая в период отбора образцов изменялась от 19 до 9%, то есть была несколько больше природной. Кроме того обе эти характеристики изменяются по разрезу и в природном состоянии лессов. С учетом всех этих обстоятельств рассматриваемые показатели не позволяют полностью раскрыть особенности процесса закрепления лессовых грунтов.
Важнейшей характеристикой, определяющей эффективность закрепления лессовых грунтов, являются прочностные показатели. Изучение механических свойств упрочненных лессовых грунтов показало, что прочностные характеристики зависят как от технологии закрепления и расположения их по глубине и радиусу, так и от условий возможного замачивания, имеющего место в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений. Кроме того установлено, что прочность закрепленных грунтов зависит не только от условий упрочнения, но и от времени твердения силикатированного лесса. Прочность образцов в возрасте I суток достигает 50%, а в возрасте 7 суток - более 75% конечной прочности. Процесс упрочнения грунта заканчивается за 28 суток и дальнейшая его выдержка не приводит к увеличению прочности. Б рассматриваемых ниже материалах приводятся сведения о прочности закрепленного грунта месячной выдержки. В таблицах 3.1 и 3.7 и на рисунке З.П показано как изменяется прочность грунта в процессе пропиткой его раствором силиката натрия различной рабочей концентрацией.Уве-личение плотности применяемого раствора с 1,025 до 1,06 г/см повышает прочность закрепления в 2,5 3 раза. Дальнейшее увеличение концентрации силикатных растворов до плотности 1,09 1,13 г/см3дает прирост прочности закрепляемого грунта по сравнению с плотностью 1,06 г/см3 соответственно на 20 25% и 35 40%. Это объясняется, по-видимому, тем что жидкое стекло с концентрацией I,06 1,07 г/см3 достаточно активно взаимодействует с катионами С 2 , находящимися в составе лессовых грунтов данного региона. Дальнейшее увеличение плотности рабочего раствора частично способствует некоторому перенасыщению грунта силикатом натрия, что приводит к увеличению удельного расхода,жидкого стекла на I м3 упрочненного грунта, не влияя ка-- рдинальнона его прочностные показатели. Таблица 3.7
При пропитке лессовых грунтов через скважины изменение прочностных характеристик происходит по всему радиусу, но не одинаково по разрезу (табл.3.7 и рис.3.12). С удалением от скважины прочность закрепляемого грунта снижается. Данная закономерность наблюдается как при различных концентрациях силиката натрия, так при различных диаметрах пробуренных скважин (табл.3.7). Например,при плотности раствора 1,06 г/см3 и диаметре скважины 400 мм прочность закрепленного грунта на расстоянии 31-40 см от ствола скважины снижается в 2,5 3 раза по сравнению с учаством, прилегающим непосредственно к скважине. Увеличение диаметра скважин приводит не только к увеличению радиуса закрепления, но и позволяет получить более высокие прочностные показатели на одинаковом расстоянии от ствола скважины. Например, при концентрации раствора силиката натрия равной
Зависимость прочностных показателей от плотности силикатного раствора в случае закрепления через скважины определенного диаметра (мм) при глубине их 2 м: I - через сквнйины диаметром 400 мм; 2 - 220 мм; 3 - 150 мм.
Изменение прочностных показателей по радиусу зоны упроэнения при заливке"раствором jp = 1,06 г/см : I - однократной; 2 - двукратной. 1,06 г/см3 среднее значение прочности грунта в первых 10 см при диаметре скважины 150 мм - 0,45 МПа, а при диаметре 400 мм - 0,52МПа. Следует отметить, что и за пределами границ закрепленных зон, указанных в таблице 4.7, прочность грунта несколько повышается и составляет 0,05...0,06 МПа; что несколько выше, чем у незакрепленного грунта. Однако отбор образцов для механических испытаний из этих грунтов весьма затруднен. Основным испытанием в этих зонах являлось определение деформативных характеристик, которые будут рассмотрены ниже.
Учитывая, что темой работы, в основном, являлась разработка глубинного упрочнения было проведены исследования по изучению изменения прочностных характеристик с глубиной закрепления (табл.3.1) показавшие что с увеличением глубины скважин наблюдается определенное повышение прочности закрепленного грунта. Так, с увеличением глубины от 2 до 4 м прочностные показатели возрастают в среднем с 0,4 МПа до 0,5 МПа. Более интенсивно прочностные характеристики увеличиваются при изменении глубин от 2 до 6 м, составляя соответственно от 0,40 0,51 МПа до 0,54 0,62 МПа. Одновременно возрастает и удельный объем закрепленного грунта. Правда при этом несколько снижаются диаметр закрепленного грунта и его прочностные показатеж на отметках, соответствующих меньшим глубинам скважин. При повторных заливках прочность грунта на участках, прилегающих к скважине,возрастает на 16...20%, а на более удаленных от скважины участках (21 40 см) - на 40...45% (рис.3.12 и таблица 3.8), то есть при повторной заливке происходит не только возрастание прочности, но и определенное ее выравнивание по радиусу и глубине скважин. При пятикра- тной заливке раствора прочность закрепленного грунта возрастает в среднем в 1,6 1,8 раза, а объем в 2,2 раза по сравнению с одноразовой заливкой.
Рекомендации по методике расчета свайных опор из силикатизированных лессов
Как показали экспериментальные исследования свайные опоры из силикатированного лесса работают совместно с окружающим их незакрепленным просадочным грунтом. При замачивании и просадке лессов на столбы-сваи воздействуют дополнительные вертикальные напряжения за счет сил отрицательного негативного) трения, которые для лотковых каналов и других гидротехнических сооружений оросительных сие тем достаточно велики и их необходимо учитывать.
Григорян А.А. /112/ установлено, что силы отрицательного (негативного) трения возрастают с глубиной погружения сваи и находятся в пределах 0,2 0,5 от предельных значений сопротивления при их, нагружении внешней нагрузкой. Последние, в свою очередь, рекомендуется определять по формуле Р„-иЄ(о,?-уЩГ+С) (4.10) где U,t - периметр и длина сваи; f - коэффициент бокового давления; Jf,C , р - соответственно объемная масса, сцепление, угол внутреннего трения водонасыщенного просадочного грунта.
Бекетов А.К. и др. /109,110/ предлагают следующее выражение для определения касательных напряжений по боковой поверхности закрепленного массива от сил отрицательного сопротивления: где о - ускорение свободного падения; ]f, С, У- соответственно объемная масса,, сцепление и угол внутреннего трения водонасыщенного просадочного грунта; і - параметр, принимаемый согласно экспериментальным данным ТГ ( Н - просадочная толща); "? - коэффициент бокового давления просадочного грунта; Z - расстояние от поверхно-, сти грунта до точки, в которой определяется касательное напряжение. N Среднее вертикальное напряжение (ЗІ в любом горизонтальном сечении закрепленного массива от действия касательных сил по его боковой поверхности можно получить, интегрируя выражение где U,FM- соответствующие величины периметра и площади горизонтального сечения закрепленного массива.
Глубина развития отрицательного сопротивления зависит как от просадочных свойств грунта, так и от деформативности самого массива и подстилающей его толщи. Приближенно эту глубину можно ограничить кровлей слоя, просадка которого от собственного веса равна 5 см. Ниже этой границы закрепленный массив работает совместно с грунтом природного сложения. Для течей из лотков-каналов ІУ разряда (табл.2.7) в период существования этой течи, равный ЗСГсуткам, рассматриваемая граница может быть принята равной местоположению зоны максимально возможного водонасыщения, то есть в соответствии с данными, приведенными на рисунке 3.17, она находится на глубине 6,0 м. Для других размеров течей ее местоположение определяется аналогично.
Исследованиями, проведенными ранее на Колхозабадском полигоне с железобетонными сваями /113/, установлено, что величина сил отрицательного трения в значительной степени зависит от размеров источника увлажнения: чем меньше источник замачивания, тем ниже их величина. Объясняется это тем, что проседающий массив грунта взаимодействует не только со сваей, но и с окружающим грунтом природного сложения. И чем меньше размеры проседающего массива, тем выше разгружающее действие окружающего грунта.
На основании проведенных исследований представляется возможным представить силы отрицательного сопротивления в виде скорректированных величин нормативных сопротивлений по боковой поверхности свай /45/ с учетом разгружающего действия окружающего грунта при различных источниках увлажнения (табл.4.2).
При расчете грунтовых свай по первой группе предельных состо- -яний (по несущей способности) главное требование - напряжения в столбе-свае не должны превышать предел прочности закрепленного грунта на сжатие.
При такой расчетной схеме не учитывается несущая способность незакрепленного грунта, находящегося под фундаментом сооружения,поскольку модуль деформации этого грунта при замачивании очень мал. По мере удаления от подошвы фундамента напряжения от сооружения в грунтовой свае убывают, но дополнительно возникают напряжения за счет сил отрицательного сопротивления. Так как нагрузка от сооружения с глубиной убывает более интенсивно, чем происходит рост сил отрицательного сопротивления, суммарные напряжения в свае на участке действия сил не превышают напряжения под подошвой фундамента. Наибольшее развитие сил отрицательного сопротивления получают на границе слоя, просадка которого от собственного веса составляет 3 5см. Поскольку зона развития просадочных деформаций зависит от размеров источника увлажнения, то от этого параметра зависит и глубина развития сил отрицательного сопротивления. Для рассмотренных выше размеров источников увлажнения этот параметр подбирается с учетом развития зоны максимального водонасыщения как это показано выше.Напряжение в грунтовой свае в зоне наибольшего развития сил отрицательного сопротивления определяется по формуле где ЧСГГР" суммарная сила отрицательного сопротивления, действующая на боковую поверхность грунтовой сваи; У- - периметр грунтовой сваи в середине і -го слоя грунта; J - расчетная сила отрицательного сопротивления I -го слоя грунта, т/м ; - толщина і -го слоя грунта, м; F zp.a.- площадь сечения грунтовой сваи в зоне наибольшего развития сил отрицательного сопротивления.
