Введение к работе
Актуальность темы исследования. Федеральными целевыми программами
«Развитие водохозяйственного комплекса РФ в 2012-2020 годах» и «Развитие
мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы»
предусмотрены значительные объёмы работ по природообустройству. Ответственными
элементами природообустройства являются грунтовые гидротехнические сооружения. К
таким сооружениям относятся дамбы, плотины, перемычки, каналы и накопители
жидких и пастообразных отходов различных классов опасности с
противофильтрационными устройствами из глинистых грунтов.
Применение местных глинистых грунтов в качестве строительных материалов для возведения гидротехнических сооружений позволяет минимизировать затраты на их строительство. Однако при этом необходимо учитывать, что недостаточное уплотнение грунтов приводит к катастрофическому разрушению грунтовых сооружений. Поэтому, при проектировании и строительстве грунтовых гидротехнических сооружений должно быть обеспечено высокое качество уплотнения грунтов.
Для строительства в России, как правило, выбирают грунты, природная влажность которых близка к оптимальной по ГОСТ 22733-2002 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности». В связи с этим значительную часть грунтов из деловых выемок не используют и направляют в отвалы или кондиционируют.
Современные условия строительства, уровень технической вооружённости строительных организаций и повышение цен на строительные материалы обусловливают необходимость более полного использования глинистых грунтов природной влажности из деловых выемок и карьеров для возведения грунтовых гидротехнических сооружений.
Совершенствование технологии уплотнения глинистых грунтов при строительстве грунтовых гидротехнических сооружений способствует повышению надежности возводимых гидротехнических сооружений, а использование глинистых грунтов природной влажности непосредственно из деловых выемок и карьеров позволит сократить непроизводительные перемещения грунтовых масс и уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду, что позволяет судить об актуальности выбранной темы диссертационного исследования.
Объектом исследования в диссертации являются грунтовые гидротехнические сооружения и их отдельные элементы, возводимые из глинистых грунтов. Соответственно предметом исследования служит технология уплотнения глинистых грунтов и её влияние на формирование физико-механических и фильтрационных свойств глинистых грунтов в теле грунтовых гидротехнических сооружений как в период их возведения, так и в процессе эксплуатации.
Степень разработанности темы исследования. Обеспечение качества противофильтрационных устройств из глинистых грунтов в гидротехнических сооружениях во многом определяется технологией их уплотнения. Широкие научные исследования в этом направлении выполнены и внедрены в практику российскими учеными Б.Ф. Рельтовым, А.Н. Ермалаевой, О.А. Пахомовым, С.И. Мигиным и д.р., а также зарубежными учеными С.Д. Вильсоном, И.Г. Клаудоном, Т.В. Лэмбом и д.р. Ими рассмотрены вопросы взаимодействия различных уплотняющих механизмов с грунтом и даны направления по их усовершенствованию и поиску оптимальной влажности уплотняемого грунта.
Настоящая работа посвящена исследованиям технологии уплотнения глинистых грунтов природной влажности, необходимость которых возникает при каждом новом строительстве грунтовых гидротехнических сооружений.
Цели и задачи исследования. Цель исследования – расширение диапазона применения глинистых грунтов природной влажности для возведения грунтовых гидротехнических сооружений и повышение их надёжности за счет совершенствования технологии уплотнения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ мирового опыта уплотнения глинистых грунтов при возведении насыпных
гидротехнических сооружений с выявлением основных проблем уплотнения;
изучить формирование структуры и свойств глинистых грунтов при их уплотнении;
разработать концепцию по усовершенствованию технологии уплотнения глинистых грунтов природной влажности;
- выполнить исследования усовершенствованной технологии уплотнения
глинистых грунтов природной влажности;
- провести исследования водопроницаемости глинистых грунтов, уплотнённых по
усовершенствованной технологии;
- исследовать влияние процесса набухания уплотнённой глины на
водопроницаемость и оценить возможность использования пригрузки для повышения
надежности противофильтрационных устройств грунтовых гидротехнических
сооружений;
- провести анализ полевых исследований водопроницаемости
противофильтрационного устройства (экрана), возводимого из глинистых грунтов с
применением усовершенствованной технологии уплотнения и дать рекомендации по
определению его коэффициента фильтрации;
- изучить микроструктуру глинистого грунта после уплотнения в соответствии с
усовершенствованной технологией в период прохождения через него фильтрационного
потока воды;
- определить величину градиентов напора, не разрушающих структуру и не
вызывающих внутреннего перемещения частиц глинистого грунта, уложенного в тело
гидротехнического сооружения;
- разработать рекомендации к техническим условиям на возведение
гидротехнических сооружений из разнородных глинистых грунтов природной
влажности.
Научная новизна работы.
К новым научным результатам относятся следующие:
впервые выполнен анализ мирового опыта уплотнения глинистых грунтов при строительстве гидротехнических сооружений, в результате которого показана целесообразность введения новых, дополнительных к плотности-влажности, технологических параметров уплотнения грунта в виде коэффициента водонасыщения и консистенции, более полно отражающих физико-механическое состояние глинистых грунтов перед уплотнением;
разработана методика проектирования технологических параметров уплотнения глинистых грунтов при возведении гидротехнических сооружений, обеспечивающая удобоукладываемость и наибольшую полноту использования грунтов природной влажности;
- разработан новый способ возведения земляного сооружения из глинистого
грунта, обеспечивающий стабильность структуры, физико-механических и
фильтрационных характеристик грунта при водонасыщении в процессе эксплуатации сооружения (патент на изобретение RU2561635 C1);
- предложен способ определения величины градиентов напора, не разрушающих
структуру и не вызывающих внутреннего перемещения частиц глинистого грунта в теле
гидротехнических сооружений;
получены новые сведения о влиянии преобразования структуры глины при уплотнении на величину её набухания, а также на водопроницаемость;
в качестве приложения к диссертации разработан проект рекомендаций к техническим условиям на возведение гидротехнических сооружений из разнородных глинистых грунтов природной влажности;
- разработана новая конструкция земляной плотины, включающая уплотнённый
переходный слой из смеси глинистого и разнозернистого грунта для обеспечения
фильтрационно-суффозионной прочности тела плотины на контакте с трещиноватым
скальным основанием (патент на изобретение RU2352715 С1).
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы состоит в раскрытии главных факторов, влияющих на формирование структуры, физико-механических и фильтрационных свойств глинистых грунтов при их уплотнении в теле гидротехнических сооружений. К этим факторам относятся консистенция и коэффициент водонасыщения грунта, которые предложено совместно рассматривать как технологические параметры уплотнения при обосновании контрольной плотности и влажности грунта.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная в диссертации методика проектирования параметров уплотнения глинистых грунтов при возведении гидротехнических сооружений и усовершенствованная в соответствии с этой методикой технология их уплотнения позволяют более полно использовать грунты природной влажности и повысить качество сооружений.
Высокое качество гидротехнических сооружений, выполненных из глинистых
грунтов с использованием усовершенствованной технологии уплотнения,
подтвердилось при строительстве и эксплуатации ряда ответственных
гидроэнергетических объектов и объектов коммунального хозяйства, проверено мониторингом их гидрогеологической обстановки, см. Информационный вестник ГАУ МО «Мособлгосэкспертиза». Выпуск №1 (32), январь-февраль 2011 г., с. 51…54.
Решена научная задача возведения противофильтрационных устройств гидротехнических сооружений из глинистых грунтов природной влажности, имеющая существенное значение для развития страны.
Результаты диссертационной работы планируется включить в технические стандарты по строительству и использовать в учебном процессе (курс «Организация и технология строительства объектов природообустройства» для студентов и аспирантов) при подготовке специалистов в области гидротехнического строительства.
Методология и методы исследования. По теме диссертации изучен мировой опыт уплотнения глинистых грунтов с глубиной рассмотрения технических решений в 50 лет, методом эмпирического обобщения ранее установленных закономерностей выявлены особенности формирования структуры и свойств уплотнённого грунта, которые легли в основу разработки усовершенствованной технологии уплотнения глинистых грунтов при строительстве гидротехнических сооружений.
Проведены лабораторные исследования по уплотнению грунтов с последующим водонасыщением и оценкой влияния структуры уплотнённого грунта на процессы его водонасыщения и набухания.
На опытных насыпях проведены полевые исследования уплотнения глинистых
грунтов по усовершенствованной технологии с применением различных катков и
автосамосвалов. Выполнен анализ полевых фильтрационных исследований
уплотнённых грунтов методом налива воды в кольца, шурфы и скважины, в результате которого даны предложения по корректировке этих методов и по определению коэффициента фильтрации уплотнённых глинистых грунтов.
При оценке влияния набухания глины на её водопроницаемость лабораторные
исследования набухания образцов грунта природного сложения и образцов грунта из
тела опытной насыпи выполнены в соответствии с ГОСТ 12248-2010
Межгосударственный стандарт. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Раздел 6. Метод определения набухания и усадки.
Выполнены лабораторные исследования водопроницаемости и количественный анализ микроструктуры глинистых грунтов, уплотнённых по усовершенствованной технологии. При этом водопроницаемость грунта изучалась методом напорной фильтрации в приборе ПФГ при градиентах напора до 600, а количественный анализ микроструктуры грунта – по РЭМ-изображениям, полученным в МГУ имени М.В. Ломоносова на электронном микроскопе «Hitachi».
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика проектирования технологических параметров и технологии уплотнения глинистых грунтов природной влажности при возведении гидротехнических сооружений.
-
Классификация глинистых грунтов по трудности уплотнения.
-
Способ определения допустимых градиентов напора, не вызывающих внутреннего перемещения частиц уплотнённого глинистого грунта и потерю его фильтрационной прочности.
-
Корректировка формулы расчёта коэффициента фильтрации глины при полевых определениях методом налива воды в кольца.
-
Рекомендации к техническим условиям на возведение гидротехнических сооружений из разнородных глинистых грунтов природной влажности.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Исследования проводились в период с 2004 по 2016 гг. Достаточная степень
достоверности и апробация результатов работы подтверждены практикой
проектирования, строительства и эксплуатации противофильтрационных экранов из глинистых грунтов для бассейна суточного регулирования Зеленчукских ГЭС, для верхнего аккумулирующего водоёма Днестровской ГАЭС и для иловых площадок Курьяновских очистных сооружений ОАО «Мосводоканал».
Личный вклад соискателя заключался в постановке цели и формулировании задач диссертационной работы, теоретическом обосновании и разработке методики проектирования технологических параметров и технологии уплотнения глинистых грунтов природной влажности, проведении лабораторных и научном анализе полевых исследований, а также в систематизации их результатов и подготовке выводов.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXIII Международной молодёжной научно-технической конференции Гидропроекта (Москва-Поленово, 6-10 сентября 2004 г), на Научно-практической конференции международного форума «ВэйстТэк – 2011» (Москва, 1 июня 2011 г.), на XXXIII Международной заочной конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук» (Москва, 9 апреля 2015 г.).
Публикации основных положений диссертационной работы приведены в виде 7 научных статей, из которых 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 - в отраслевых изданиях, и в 2 изобретениях.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, в том числе 5 - на иностранном языке. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 12 таблиц, текст дополняют приложения.