Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы 12
1.1. Анализ причин имевших место повреждений, аварий и разрушений грунтовых плотин 12
1.2. Проблемы обеспечения качества работ при возведении грунтовых плотин 39
1.3. Обзор работ по проблемам устройства грунтовых плотин 60
Цель и задачи диссертационной работы 64
Глава 2. Методологическая основа оперативного определения геотехнических показателей грунтов 66
Глава 3. Обеспечение качества укладки глинистых грунтов в противофильтрационные элементы каменно-земляных плотин 77
3.1. Оперативный метод определения числа пластичности 78
3.2. Оперативный метод определения параметров Проктора 85
3.3. Оперативный метод определения показателей прочности 97
3.4. Оперативный метод определения показателя водопроницаемости 107
3.5. Оперативный контроль качества уплотнения глинистых грунтов 116
Глава 4. Обеспечение качества укладки горной массы из известняка в упорные призмы каменно-земляных плотин 127
4.1. Оперативный контроль качества уплотнения горной массы из известняка 129
4.2. Оперативный метод определения прочности известняков и мергелей на одноосное сжатие 139
4.3. Оперативный метод определения показателя прочности «tg(p» уложенной с уплотнением горной массы из известняка 152
Глава 5. Прогнозирование деформации тела и подошвы грунтовых плотин 166
5.1. Вероятностный метод расчета деформации тела плотины по результатам уплотнения грунта 167
5.1.1. Исследование эмпирического распределения коэффициента уплотнения грунта (kcom) 171
5.1.2. Установление плотности распределения величины ожидаемой осадки (S) 178
5.1.3. Определение доверительных интервалов 180
5.2. Определение перемещений подошвы грунтовой плотины 198
Глава 6. Экономическая эффективность научно-технических разработок 213
Заключение 230
Литература 234
Приложения 256
- Проблемы обеспечения качества работ при возведении грунтовых плотин
- Оперативный метод определения показателя водопроницаемости
- Оперативный метод определения прочности известняков и мергелей на одноосное сжатие
- Исследование эмпирического распределения коэффициента уплотнения грунта (kcom)
Введение к работе
Актуальной проблемой в создании надежных и долговечных напорных грунтовых сооружений является объективный и оперативный контроль качества работ на этапе их строительства.
Строительство плотин из грунтовых материалов получило широкое развитие и распространение во всем мире. Это обусловлено их максимальной экономичностью, строительством в относительно короткие сроки, использованием грунтов полезных выемок, возможностью возведения в сложных природных условиях.
В последнее время в гидротехническом строительстве наблюдается устойчивая тенденция возведения плотин большой высоты и длины, создающих водохранилища с колоссальным объемом воды. Каменно-земляные плотины при этом самый распространенный тип водоподпорного сооружения, так как возведение таких плотин может быть полностью или почти полностью механизировано, требует меньших трудозатрат и менее энергоемко. Вполне понятно, что с увеличением размеров плотин возрастают и нагрузки на эти плотины, их основания и, как следствие, увеличивается вероятность их повреждений.
При значительных достижениях техники и совершенствовании технологии строительства, повышении общего уровня знаний, опыта и технических решений, аварии плотин имеют место. Не без основания считают недопустимым такую ситуацию, при которой возникают сомнения в отношении надежности 15% всех плотин в мире, и что аварии - мелкие и серьезные - происходят ежегодно почти на 5% существующих плотин [139].
Известные разрушения и повреждения плотин были вызваны действием различных объективных и субъективных факторов [7; 12; 118; 129 • 140; 143; 162; 188; 212; 213; 216; 217; 225; 227; 231]. В числе первых - природные стихийные явления: ураганы, катастрофические ливни (паводки), горные обвалы (оползни), землетрясения и т.п. Это следствие недостаточной изученности и учета климатических, гидрогеологических, геологических и топографических условий в створах и чашах водохранилищ плотин, возможности их неблагоприятных сочетаний. К субъективным факторам относят ошибки в проектировании, низкое качество используемых строительных грунтовых материалов и работ, нарушение технических норм при проведении работ, неправильная эксплуатация сооружений. Это следствие недостаточного учета или неправильной интерпретации результатов изысканий и исследований, отступления от проектных решений и требований, «гонки» за объёмами работ в ущерб их качеству, отсутствия надежных оперативных методов контроля, устанавливающих качество текущей работы на плотине.
По данным Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ) на 1979 г, содержащим сведения о 1105 случаях повреждений и 108 разрушений и касавшихся 33 стран, имевших почти 15000 плотин, грунтовые плотины составили 67% от общего числа плотин, и на их долю пришлось около 60% повреждений и 75% разрушений. Согласно данным В.И. Вуцеля [27] в 25% случаев причиной аварий было основание, в 47% - тело плотины, в 23% -недостаточная пропускная способность водосбросных сооружений и 5% -другие причины.
Появление трещин, осадки, внезапной фильтрации или её увеличение характеризуют изменение состояния сооружения, а следовательно, его эксплуатационную пригодность. В решении задачи по обеспечению эксплуатационной надежности напорных грунтовых сооружений немалую, а может быть, и самую важную роль играет этап реализации проектного решения, т.е. строительства плотин. При ответственном отношении к данному этапу в процессе возведения сооружений нередко выявляются и своевременно корректируются неточности проектных решений, разработок, требований и т.п. И если при проектировании грунтовых плотин в настоящее время используются моделирование, прогрессивные подходы и методы расчетов, то и на этапе возведе ния сооружения должны иметь место современные методы и технологии контроля геотехнических параметров грунтов и качества работ. Абстрактное знание свойств грунтов не является достаточным условием для инженера практика. Необходимо сокращать разрыв между научными изысканиями и потребностями строительства.
Отечественный и зарубежный опыт возведения напорных грунтовых сооружений показывает, что на разных стадиях проектирования, каким бы способом ни устанавливались показатели свойств грунтовых материалов, неизбежна их неопределенность, так как они должны соответствовать действительной плотности уложенного грунта в сооружении, точное значение которой становится известным только в ходе строительства. Даже опытные укатки, устанавливающие не только технологические параметры укладки грунта, но и геотехнические свойства после его уплотнения, не показывают достаточно точные значения свойств грунта, так как проводятся в условиях, отличных от основного строительства по масштабности земляных работ, обязательной пространственной изменчивости свойств грунтов в карьерах и т.п. Неточность установленных в проекте параметров грунтовых материалов и их укладки в тело плотины может быть без особых трудностей исправлена при строительстве за счет четкого представления о грунте, поступающим на место укладки и, как следствие, соответствующей корректировки технологии производства работ.
Мировой опыт гидротехнического строительства показывает, что служба геотехнического контроля является главным подразделением, которое отвечает за качество возведения грунтовых элементов плотины. При этом особое значение приобретает вооруженность персонала этой службы современными, оперативными и надежными методами и техническими приемами контроля качества их возведения. Все это более чем актуально, особенно если строительство напорных грунтовых сооружений ведется в сейсмически активных районах с высокой интенсивностью и строгой последовательностью работ, укладкой одновременно нескольких видов грунтов, изменчивостью свойств грунтов в карьерах и т.д. В таких условиях формальное выполнение проектных требований геотехнического контроля в зависимости от объема уложенного грунта прямыми (экспериментальными) методами приводит к снижению темпов работ по отсыпке из-за неоперативности в оценке качества уплотнения, к большому количеству переделок и, как следствие, к удорожанию строительства. Даже абсолютно точное соблюдение положений нормативных документов [168; 189], регламентирующих работу геотехнического контроля, не позволяет избежать вышеуказанных моментов при строительстве грунтовых плотин.
Вот почему очень важно иметь такую систему геотехнического контроля качества укладки грунтов, которая не была бы трудоемкой, сложной по математическому аппарату, отличалась бы оперативностью, четкостью и доступностью для персонала.
В материалах Комитета по разрушениям и авариям плотин [27; 118; 139; 162; 188] отмечается, что угрозу безопасности плотин, помимо плохого качества строительных работ, несоответствия грунтовых материалов проектным условиям, недостаточной пропускной способности водосбросных сооружений, создают возможные деформации плотин и их оснований: осадки, смещения и т.п. Многие аварии явились следствием ошибок или неточностей в оценке совместной работы системы «основание-плотина» из-за недостаточно полных и глубоких предварительных изысканий, неудовлетворительного объёма исследований и расчетов при проектировании. Кроме этого важно понимать, что для объективного анализа развития или затухания деформаций тела и основания плотины в постстроительный период необходимо иметь их прогнозную оценку после завершения возведения сооружения по фактической степени уплотнения грунтов с конкретными их показателями, по фактическому сопряжению сооружения с основанием, т.к. эти результаты будут отличаться от проектного прогноза из-за невозможности предвидеть на тот момент действительных выходных параметров уплотнения грунтов в теле плотины.
Цель работы. Разработать на основе теоретических и экспериментальных исследований методы оперативного контроля качества укладки грунтов в противофильтрационные элементы и упорные призмы каменно-земляных плотин и прогноза деформаций тела и подошвы сооружений по выполненному уплотнению грунта.
В задачи исследований входило:
1. разработка оперативных методов определения строительных геотехнических показателей глинистых грунтов (параметров Проктора, прочности, водопроницаемости) и горной массы из известняка (плотности и прочности уплотненного скального материала, кубиковой прочности породы);
2. усовершенствование системы оперативного контроля качества укладки глинистых грунтов («чистых» и содержащих включения) в противофильтрационные элементы и горной массы из известняка в упорные призмы плотин;
3. разработка метода прогнозной оценки деформации тела плотины по фактическому распределению коэффициента уплотнения грунта в сооружении;
4. разработка метода расчета перемещения подошвы грунтовой плотины на основе теории линейно-деформируемых тел при очертании эпюры нагрузки, соответствующей поперечному профилю плотины;
5. тестирование разработанных методов контроля качества укладки грунтов и прогноза деформаций на основе сравнения результатов расчетов с результатами имеющихся проектных решений и данными экспериментального обследования.
Объекты исследований. Каменно-земляные плотины «Саура» (Н=78м, 1990-1996гг), «Абраш» (Н=50м, 1994-1995г.г.), «Сахаби» (Н=68м, 1999-2003гг) и «Эль Хвез» (Н=42м, 2001-2003гг - реконструкция) в Сирийской Арабской Республике, на строительстве которых автор работал в качестве консультанта-эксперта.
Методология исследований. В основу методологии исследований положена идея, что грунты, как строительный материал, могут иметь такие квалификационные модули, которые, с учетом возможной природной или технологической изменчивости свойств грунтов, позволят прогнозировать и оценивать их строительные показатели.
Научная новизна работы состоит:
- в установлении многофакторных квалификационных показателей для глинистых грунтов и горной массы из известняков, объективно отражающих физическую сущность уплотнения, прочности, водопроницаемости и находящихся не менее чем в тесной функциональной связи с устанавливаемыми параметрами грунтов как строительного материала;
- в разработке системы геотехнического контроля качества уложенного с уплотнением глинистого и скального материалов в элементы каменно-земляной плотины, позволяющей быстро и объективно оценить влияние на результат уплотнения изменчивость свойств грунтов, поступивших в технологические карты;
- в разработке вероятностного метода оценки деформации тела плотины или её элемента по фактическому распределению коэффициента уплотнения грунта в сооружении;
- в разработке метода прогноза перемещения подошвы грунтовой плотины на основе решения уравнений теории линейно-деформируемых тел при очертании эпюры нагрузки, соответствующей поперечному профилю плотины.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждены тестированием разработанных методов на основе .
- сравнения результатов геотехнических показателей грунтов, получаемых по разработанным зависимостям с данными экспериментального геотехнического контроля при строительстве плотины «Сахаби» и реконструк ции - «Эль Хвез»;
- сравнения результатов разработанных систем геотехнического контроля качества укладки грунтов с экспериментальными данными из реальных технологических карт грунтовых элементов плотин «Сахаби» и «Эль Хвез»;
- сравнения результатов деформации грунтового сооружения по разработанной оценке прогнозов с данными имеющихся проектных решений плотин «Саура», «Абраш», «Сахаби», «Эль Хвез» и экспериментального обследования однородной плотины «Эль Ароус»;
- сертификатами, выданными по результатам тестирования и опробования оперативных методов определения строительных геотехнических показателей грунтов и систем контроля качества работ по их укладке в тело плотины.
Практическое значение и реализация результатов работы заключается:
- во внедрении разработанных методов определения контролируемых при строительстве каменно-земляных плотин геотехнических показателей грунтовых материалов;
- во внедрении разработанных методов оперативного геотехнического контроля качества послойной укладки глинистого и известнякового материала в тело каменно-земляных плотин;
- в разработке прогнозных методов определения деформации тела и подошвы грунтовых сооружений.
Апробация работы. По теме диссертации опубликованы монография и 15 научных статей. Отдельные разделы диссертации докладывались на:
- Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в АПК», Кострома, 1997;
- Межвузовской международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы народного хозяйства», Иваново, 2001;
- II и III Международной научно-практической конференции «Современные проекты, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства», Брянск: БГИТА, 2003 и 2004;
- Международной научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития АПК», Иваново, 2005;
- Международной научно-практической конференции «Природообустрой-ство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России», Москва, 2005.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 10 приложений. Объем диссертации составляет 295 страниц. Список литературы содержит 239 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность своему наставнику и учителю, заслуженному деятелю науки России, доктору технических наук, профессору A.M. Силкину за ценные советы, консультации, внимание к работе и постоянную поддержку.
Проблемы обеспечения качества работ при возведении грунтовых плотин
Перечень имевших место аварий, повреждений и разрушений грунтовых плотин, как и анализ причин, приведших к таким негативным последствиям можно продолжать. Но сказанного достаточно для понимания того, что решение вопросов надежности и долговечности грунтовых плотин лежит не в констатации фактов. Требуется научный анализ, объективные выводы и обоснованные решения, направленные на повышение безопасной эксплуатации таких сооружений.
Строительство грунтовых напорных сооружений связано с выполнением большого объема земляных работ. Аварии, повреждения и разрушения таких сооружений как в процессе строительства, так и во время эксплуатации, могут приводить к катастрофическим последствиям. Поэтому к созданию грунтовых гидротехнических сооружений предъявляются особые требования в части надежности и долговечности не только на стадии проектирования, но и в период их строительства.
Важнейшим условием обеспечения эксплуатационной надежности и долговечности грунтовых напорных сооружений является строгое соблюдение всех требований и решений проекта по их возведению с соблюдением нормативных положений на выполнение таких работ. Необходимая и объективная оценка характеристик грунтов в основании сооружений, в карьерах добычи материалов, при укладке в грунтовые элементы плотин возможна при условии вооруженности персонала службы геотехнического контроля современными и надежными методами и приемами контроля качества работ.
При недостаточном уплотнении, например, горной массы в верховой упорной призме плотины с вертикальным противофильтрационным устройством в виде ядра имеет место асимметрия напряженно-деформированного состояния за счет двойного эффекта: гидростатического давления на ядро, а вследствие этого обжатия низовой упорной призмы, и взвешивания грунта верховой упорной призмы. Разгрузка скелета верховой упорной призмы делает верховой откос и ядро менее устойчивым к сейсмическому воздействию. Недостаточное уплотнение низовой упорной призмы плотины с наклонным противофильтрационным устройством приводит к деформации самой упорной призмы и, как следствие, к трепщнообразованию в ядре или экране.
При устройстве лротивофильтрационных элементов плотин очень важно, чтобы параметры укладки, в частности, параметры Проктора, отвечали конкретному виду и составу глинистого материала, поступившего в технологические карты. При укладке глинистых грунтов с влажностью меньше оптимальной частицы такого «сухого» грунта из-за сил трения и сцепления оказывают большое сопротивление их уплотнению. А при влажности грунта больше оптимальной возникает кратковременное поровое давление, которое также препятствует уплотнению грунта. Недостаточно уплотненный глинистый грунт в противофильтрационном устройстве может явиться причиной развития высокого порового давления, что приводит к разгрузке скелета грунта, к уменьшению эффективных вертикальных напряжений. В такой ситуации даже незначительные касательные напряжения могут вызвать деформацию или разрушение противофильтрационного элемента.
Формальное выполнение проектных требований по укладке грунтовых материалов в тело плотины в зависимости от объёма уложенного грунта и средним показателям карьерного грунта или минимально допустимым параметрам укладки или по взаимоисключающим условиям уплотнения, когда указывается необходимая степень уплотнения грунта (kcom) с одной стороны и, тут же, допускается минимально допустимое значение плотности грунта в грунтового материала - создает ложное представление о качестве выполненного уплотнения и возможность подрядчикам работ уходить от ответственности за строительство. А главное нет однозначности в оценке качества выполненного уплотнения и в выходных показателях грунта после укатки. В результате - приостановление работ на объекте, переделка, снижение темпов и удорожание строительства. Подтверждением сказанному могут быть следующие примеры.
Плотина «Саура» (Сирия), каменно-земляная (рис. 1.18; 1.19; 1.20; 1.21) на реке «Сноубар», высотой 78 м. Для устройства ядра плотины принят [236] аллювиальный (1р = 17.5 21%), делювиальный (Ip = 17 32%) и элювиальный (1р = 18.5 28%) глинистый материал. С одной стороны, в проекте указано, что при укладке этого грунта в тело ядра значение плотности сухого грунта не должно быть ниже 1.55 т/м3, влажность - W t ±2 %. С другой стороны, констатируется, что при степени уплотнения грунта kcom 0.97 уложенный материал должен иметь коэффициент фильтрации ІхЮ см/с, показатели прочности ф 15; С 20 кПа. Формальное выполнение условия укладки по допустимой плотности сухого грунта для глинистого материала с числом пластичности, например, 1р = 17%, будет соответствовать его недоуплотне-нию от требуемого предела степени уплотнения 97%, что для такого грунта составит 1.64 -1.65 т/м3. Для глинистого грунта с числом пластичности Ip = 32% плотность сухого грунта, соответствующая степени уплотнения 97% от параметра Проктора (Pdmax), будет меньше, чем 1.55 т/м3 и составит приблизительно 1.49-1.50 т/м3. Поэтому, чтобы уйти от неоднозначности в требованиях к укладке материала и избежать его недоуплотнения в слое, оценку качества работ необходимо выполнять по степени уплотнения с уточнением индивидуальных особенностей глинистого грунта.
Оперативный метод определения показателя водопроницаемости
Вопросы обеспечения безопасной эксплуатации уже построенных и строящихся грунтовых плотин чрезвычайно важны, требуют пристального внимания и по-прежнему беспокоят исследователей разных стран и рассмотрены во многих научных трудах, направленных на создание надежных и долговечных гидротехнических сооружений.
Успехи гидротехнического строительства в значительной мере обеспечены исследованиями таких известных ученых как Айрапетян Р.А., Берг В.А., Боровой А.А., Боровец С.А., Вуцель В.И., Гольдин А.Л., Гришин М.М., Евдокимов П.Д., Моисеев О.И., Моисеев И.С., Ничипорович А.А., Попов К.В., Радченко В.Г., Рассказов Л.Н., Рейфман Л.С., Розанов Н.С., Рябышев М.Г., Угинчус А.А., Шерард И., Вудвард Р., Клевенгер В., Лакроикс Е. и других [4, 14,15,16,35,50,109,129,131,134,142,147,149,153,211,233,235].
Большую работу по разработке и внедрению в практику прогрессивных типов и конструкций гидротехнических сооружений, их расчетов, методов производства работ, лабораторных и натурных исследований напорных сооружений, контроля качества работ выполняют научно-исследовательские организации ВНИИГ, ВНИИ ВОДГЕО, ВНИИГиМ, Гидропроект. ДальНИИС и другие [ПО, 111,154-5-159,164 ч-168,189].
Расчетам надежности строительных конструкций, гидротехнических сооружений, эксплуатационной надежности посвящены работы Базовского И., Болотина В.В., Вуцеля В.И., Гогоберидзе М.И., Гордона Л.А., Егорова В.Н., Иващенко И.Н., Лятхера В.М., Малаханова В.В., Мирцхулавы Ц.Е., Напетва-ридзе Ш.Г., Райзера В.Д., Рассказова Л.Н., Ржаницына А.Р., Розанова Н.С, Серкова B.C., Царева А.И., Шульмана СТ., Эйдельмана С.Я., Аугусти Г., Ба-ратта А., Кашиати Ф. и других [5,12,27,58,84,85, 86,103,118,148,162].
Опыт и проблемы, связанные с проектированием, строительством, безопасной эксплуатацией, изучением причин аварий и повреждений плотин, а также с организацией эффективных наблюдений за состоянием гидросооружений неоднократно обсуждались на совещаниях, международных конгрессах и в многочисленных технических комитетах [130, 131,132,133,135,188], а также в работах по данным отечественной и зарубежной практики Барино-вой 3. [7], Ничипоровича А.А. [115,134], Гинзбурга М.Б., Красникова Н.Д. и Савинова О.А. [136], Стольникова В.В. [137], Гришина М.Н. и Евдокимова П.Д. [138], Розанова Н.С, Царева А.И. и Михайлова Л.П.[139], Розанова Н.С, Соколова И.Б. [162], Павчича MIL, Гинзбурга М.Б. и Радченко ВТ. [140], Тейтельбаума А.И., Мельника В.Г. и Савина В.А. [186], Бьерума Л. [209], Будвега Ф. [212], Клоуга К. и Вудварда Р. [213], Инзенштейна 3. [217], Кулхеви Ф. и Дункана Д. [225], Леонарда Г. и Нараяна Д. [226], Марсела Р. и Ареллано Л. [227] и других.
В России вопросам изучения свойств грунтов были посвящены работы Фусса Н.И. (1798г), Волкова М.С. (1840т), Карловича В.М. (1869т), Курдю-мова В.И. (1902т), Миняева П.А. (1916т) и Пузыревского Н.П. (1924т).
Определяющим этапом в формировании механики грунтов как научной дисциплины послужила работа Терцаги К. [187], где автор дал системное изложение основ классической механики грунтов. Дальнейшее формирование механики грунтов в нашей стране как науки в значительной мере связано с работами Герсеванова Н.М. [29, 30], Флорина В.А. [193, 194], которые определили интенсивное развитие ряда направлений механики грунтов, в частности теории консолидации грунтов. Изучение физики грунтов, широкое использование возможностей инженерной геологии и практическая направленность разработанных решений заложены в работах Маслова Н.Н. [106, 107, 108], Приклонского В.А. [127,128], Ребиндера П.А. [152], Рубинштейна А.Л. [163], Гольдштейна М.Н. [36,37,38], и других авторов.
Исследования последних лет открывают путь к преодолению препятствий, которые ставят многообразие и сложность грунтов как природных образований и геомеханических процессов перед строительной практикой. Все эти разнообразные по направлению, но объединенные конечной целью исследования привели к существенному усовершенствованию не только техники и методики определения физико-механических свойств грунтов, но и решений задач прикладного характера.
По механике скальных пород, методам определения их свойств и прогнозам взаимодействия с возводимыми на них сооружениями, а также возможности использования горных пород в качестве строительного материала и, в этой связи, в изучении их сжимаемости и прочности достигнуты значительные успехи: Авакян А.А., Барон Л.И., Беликов Б.П., Борткевич СВ., Боткин А.И., Бушканец С.С., Евдокимов П.Д., Журек Я., Залесский Б.В., Розанов Ю.А., Зарецкий Ю.К., Чернилов А.Г., Зеленский Б.Д., Ильницкая Е.И., Тедер Р.Н., Ватолин Е.С., Казакбаев К.К., Ибрагимов К.И., Рейфман Л.С., Кобрано-ва В.Н., Коган Я.Л., Кузнецов Г.Н., Ломтадзе В.Д., Низаметдинов Ф.К., Дол-гоносов В.Н., Абельсеитова С.К., Искаков М.В., Карашулаков Г.С., Пахомов О.А., Петров Г.Н., Радченко В.Г., Дубиняк В.А., Попов И.И., Окатов Р.П.. Рассказов Л.Н., Рац М.В., Чернышев С.Н., Роза С.А., Швец В.Б., Шеко А.И., Берне Д., ГильманД, Гриффите А., ГудманР., ДересевичГ., ДжегерЧ., Д Альбиссин М., Кейт Р., Мак-Клинток Ф., Уолш Д., Хек Е. и другие [2, 8, 10, 20, 22,24, 51, 54, 55, 57, 77, 78, 79, 81, 87, 89,90, 94, 95,99, 101, 112, 113, 121, 122, 123, 126, 143, 144, 150, 151, 161, 171, 200, 203, 205, 208, 215, 219, 221,222,223,229].
Исследованиям физико-механических и фильтрационных свойств глинистых грунтов и изучению их как строительного материала, в том числе и в составе грунтовых смесей для устройства насыпей различного назначении и противофильтрационных элементов плотин посвящены работы Абелева М.Ю., Буренковой С.С., Вихарева В.П., Гольдберга В.М., Скворцова Н.П., Гольдштейна М.Н., Горьковой И.М., Денисова Н.Я., Казарновского В.Д., Ермолаевой А.Н., Павчича МП., Рельтова Б.Ф., Жиленкова В.Н., Ломизе Г.М., Малышева Н.В., Маслова Н.Н., Ничипоровича А.А., Пахомова О.А., Расска-зова Л.Н., Рейфмана Л.С., Великанова B.C., Трофименко Ю.Г., Воробкова Л.Н., Швеца В.Б., Шевченко И.Н., Саввина В.А., Тейтельбаума А.И., Сида X, Султана X. и других авторов [1, 23, 26, 34, 35, 37, 38, 41, 52, 53, 56, 59, 100, 104,106,107,108,114,119,120,125,144,145,153,201,202,232].
Оперативный метод определения прочности известняков и мергелей на одноосное сжатие
Для создания грунтовых противофильтрационных элементов в теле и основании плотины (ядер, экранов, понуров, зубьев) применяют глинистые (связные) грунты, регламентируемые [16; 168; 176 и др.]. В производстве работ глинистый материал является наиболее сложным из-за низкой водопроницаемости, влияния погодных условий, небольшого диапазона влажности, при которой грунт допускается к укладке в слой, условий залегания в карьере и пространственной изменчивости свойств в пределах карьера. Причем последний указанный фактор является одним из наиболее серьезных, осложняющих контроль качества укладки глинистого грунта в насыпь.
Чем больше объем насыпи противофильтрационного элемента, тем большим должен быть объем карьера или нескольких карьеров и тем сильнее проявляется неоднородность грунта как по составу, так и по свойствам. Даже в пределах одного карьера могут оказаться грунты различного генезиса. Кроме того, в практике работ почти всегда возникает необходимость смены или разведки дополнительного карьера по разным причинам (частная собственность, недостаточный объем, большой процент некондиционного материала).
В проектах, как правило, указываются средние показатели свойств грунтов по карьерам (ps; V, pa m ; Wopt и т.д.) и установленные на этой основе требования к параметрам укладки (pd mini tg p и С; kf и т.д.), которые не всегда являются достаточными для объективной оценки качества выполненного уплотнения грунта в технологической карте. Например, полученное по образцу грунта из уложенного с уплотнением слоя значение достигнутой плотности материала может формально соответствовать проектным требованиям, но в действительности быть значительно ниже оптимальных параметров уплотнения для данного конкретного грунта и наоборот, достигнутое по результатам уплотнения значение плотности глинистого грунта не удовлетворяет проектным требованиям, но в действительности абсолютно соответствует оптимальным параметрам уплотнения по свойствам грунта.
Из сказанного следует, что для точного представления о составе, свойствах, пространственной изменчивости глинистых грунтов в карьерах и оценки качества уложенного грунта в насыпь, наряду с прямыми (стандартными) методами важно иметь оперативные (ускоренные) методы определения геотехнических параметров грунта и, на этой основе, оперативные методы контроля качества укладки глинистых материалов в насыпь.
Анализ, полученный по результатам устройства ядер каменно-земляных плотин в Сирии («Саура»; «Абраш»; «Сахаби»; «Эль Хвез») позволяет обобщить не только опыт оценки качества укладки глинистых грунтов в насыпь, но и опыт ускоренного определения геотехнических параметров связных грунтов (пределов Аттерберга, параметров Проктора, прочностных характеристик, водопроницаемости) в зависимости от квалификационных показателей грунта, представляющих собой совокупность известных, периодически контролируемых и достаточно легко определяемых показателей физических свойств грунта, объединенных в один модуль в определенной комбинации. В данную обработку вошли грунты нарушенной структуры четвертичного возраста: аллювий, делювий и элювий.
Мелкозернистые грунты, в зерновом составе которых имеются глинистые частицы (d 0.005мм) более 3%, считают глинистыми. Согласно ГОСТ 25100-95, к ним относят глины, суглинки, супеси. Тип глинистых грунтов (по Охотину) можно установить по треугольнику Фере, но этот способ оценки грунта весьма неточен. Поэтому используют классификацию глинистого грунта по числу пластичности 1Р как разность между влажностью на границе текучести WL и влажностью на границе раскатывания WP (Ip = WL - WP). Преимущество классификации связных грунтов по числу пластичности в сравнении с классификацией по гранулометрическому составу заключается в том, что коагуляция чрезвычайно искажает содержание глинистой фракции вследствие образования агрегатов. Это может приводить к ошибкам в определении вида грунта иногда на целую градацию (супесь вместо суглинка, суглинок вместо глины) [35,195].
Показатели WL и WP были перенесены Терцаги в инженерную геологию и грунтоведение из почвоведения [88], где состояние грунтов рассматривается в зависимости от степени их влажности: предел текучести в почвоведении соответствует влажности, при которой начинается загнивание корневой системы ввиду переувлажнения грунта, а предел раскатывания отвечает влажности, при которой растение начинает увядать, так как корневая система уже не усваивает воду. Перенос этих показателей в инженерную геологию привел к тому, что условным показателям WL и WP стали придавать физический смысл, характеризующий переход грунта от пластического состояния к текучему и от пластического к твердому. Влажность при нижнем пределе пластичности (WP) приблизительно соответствует влажности максимальной молекулярной влагоемкости [124; 127; 163; 182; 195]. Это указывает на то, что в полутвердом и твердом состояниях в глинистой породе преобладают прочно-связанные формы воды, не сообщающие ей пластических свойств. Влажность при верхнем пределе пластичности (WL) соответствует влажности, при которой сцепление между частицами грунта приближается к нулю. При влажности выше WL глинистая масса приобретает свойства вязкой жидкости, сохраняя ещё некоторую небольшую связь между частицами и проявляя часто тиксотропные свойства. При уменьшении размера частиц резко возрастает предел текучести и число пластичности, в то время как нижний предел пластичности изменяется мало. Таким образом, определение характерных влаж-ностей одновременно дает некоторое представление о гранулометрическом составе грунта [163].
Если глинистый материал после нарушения его структуры в результате карьерного производства необходимо использовать для устройства противо-фильтрационных элементов грунтовых плотин, то определение пределов пластичности (Wp и WL) обязательно. Это необходимо не только для контроля соответствия используемого грунта в насыпь проектным требованиям, но и для корректировки технологических параметров укладки (толщины отсыпаемого слоя, числа проходок катка по одному следу), определяющих выполнение проектных условий, предъявляемых к уложенному грунту (плотности, водопроницаемости, прочностных характеристик).
Нижний предел пластичности грунта (Wp) характеризуется влажностью (в процентах), при которой паста, изготовленная из грунта и воды, раскатываемая в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на отдельные кусочки длиной 3 10 мм [46; 168]. Работа в САР позволила установить, что показатель Wp является наиболее уязвимым с точки зрения расхождения в результатах параллельных определений, которые в отдельных сериях достигали 2.5 + 4%. По ГОСТ 5180-84 и РД 34 15.073-91 расхождение в результатах параллельных определений влажности на границе раскатывания более 2% не допускается.
Исследование эмпирического распределения коэффициента уплотнения грунта (kcom)
Сопротивление сдвигу глинистых грунтов - более сложное явление, чем несвязных грунтов. Эта сложность обусловлена самой их природой [36; 38; 127; 128; 163]. Частицы глинистых минералов обладают способностью притягиваться друг к другу под влиянием молекулярных сил. Вследствие очень малого радиуса действия молекулярных сил это притяжение осуществляется только при достаточном сближении частиц. Сближению частиц препятствуют окружающие их водно-коллоидные пленки. Водно-коллоидные пленки, находясь под влиянием сил притяжения к поверхности частиц и сливаясь между собой, создают своеобразную вязкую среду, в которую погружены более крупные частицы. Эта вязкая среда обладает сопротивлением сдвигу. Чем гидрофильнее грунт, тем большую роль играет в нем как фактор сопротивления внешним механическим воздействиям связанная вода. Причем, это сопротивление повышается по мере уменьшения толщины водно-коллоидных пленок или снижения дисперсности грунта.
Одни исследователи [127,128,106, 107, 108,91] считают, что сопротивление глинистых грунтов сдвигу обусловлено только сцеплением между частицами и понятие о внутреннем трении к этим грунтам вообще неприменимо. Другие [127, 128, 106, 107, 108, 91] - полагают, что в сопротивлении глинистых грунтов сдвигу участвуют и силы сцепления, и силы внутреннего трения. Эта точка зрения более объективна по следующим соображениям; во первых - при одном и том же физическом состоянии глинистого грунта и при одинаковых условиях проведения эксперимента сопротивление сдвигу глинистого грунта возрастает с увеличением нормального давления; во-вторых - в глинистых грунтах, как и в несвязных, в зоне сдвига также имеет место нарушение относительного расположения (ориентации) частиц.
Таким образом, переводя вышесказанное в практическую плоскость, сопротивление глинистых грунтов сдвигу зависит от минерального и гранулометрического состава, сложения (нарушенного или ненарушенного), плотности, влажности и условий проведения экспериментов.
Наиболее распространенными способами определения сопротивления грунта сдвигу в лабораторных условиях являются: определение сопротивления сдвигу по фиксируемой поверхности; определение сопротивления сдвигу в условиях трехосного сжатия.
Однако следует понимать, что геотехническое опробование или изучение грунтовых материалов в период изысканий и геотехнический контроль качества укладки грунтов при строительстве плотины существенно отличаются по сути, объему и составу работ.
Сопротивление сдвигу грунтов при геотехническом контроле является одним из контролируемых показателей, определяющих устойчивость напорных сооружений, для которых грунты являются строительным материалом. Согласно [168], определение параметров прочности уложенного грунта производится из расчета 20 50 тыс.м3 уплотненного грунта на одну контрольную пробу и окончательно назначается проектом в зависимости от класса капитальности сооружения, объема работ и местных условий; на плотине «Саура» и «Абраш» - контрольная проба на 40000м3; на плотине «Сахаби» - контрольная проба на 50000м3; на реконструируемой плотине «Эль Хвез» - контрольная проба на 20000м3. Кроме того, при строительстве напорных грунтовых сооружений геотехнический контроль имеет дело с образцами грунтов нарушенной структуры, имеющими в среднем коэффициент уплотнения (kcom) 964-103%. Поэтому обычно результаты опытов по определению сопротивления глинистого грунта, уложенного в противофильтрационные элементы плотин, интерпретируются с помощью прямых Кулона: где т - сдвигающее (касательное) напряжение, равное удельному значению общего сопротивления сдвигу; а - сжимающее нормальное напряжение; tgcp-- коэффициент трения, выраженный через тангенс угла внутреннего трения ф; с - удельное сцепление грунта.
Поскольку трение в грунтах не представляется возможным отделить от сцепления, характеристики сопротивления сдвигу: удельное сцепление «с» и угол внутреннего трения «ф» - рассматриваются как математические параметры прямолинейной диаграммы сдвига.
Условия предельного сопротивления сдвигу при прямом (плоском) срезе распространяются на общий случай оценки прочности грунтов. Поэтому в практике геотехнического контроля при строительстве напорных сооружений показатели прочности «ф» и «с» глинистых грунтов устанавливаются методом консолидированно-дренированного среза предварительно уплотненных (не менее, чем при трех вертикальных давлениях) водонасыщенных образцов в одноплоскостных срезных приборах. Результаты экспериментов, указанные в таблице 3.3.1, получены на приборе ПСГ -2М согласно ГОСТ 12248-78 (до 1996г) и по ГОСТ 12248-96 (с 1996 по 2003гг) на образцах из монолитов, отобранных из технологически уложенных слоев, либо после уплотнения грунтовой массы в приборах при оптимальных показателях Проктора (pd max и Wopt). Для уплотнения образцов грунта непосредственно перед срезом использовался прибор (станок) УГПС-1.
Укладка одновременно нескольких видов глинистых грунтов, изменчи -вость свойств грунтов в карьерах и, как следствие, отклонения параметров укладки от проектных требований при условии только формального выполнения условий по геотехническому контролю параметров прочности в зависимости от объема уложенного в технологические карты (слои) грунта экспериментальными методами приводит к неоправданным технологическим перерывам и, в целом, к снижению темпов работ. Поэтому очень важно иметь инструмент (метод) ускоренной оценки показателей «ф» и «с», позволяющий независимо от выполненного объема укладки грунта для слоя в целом или части его проверить соответствие получаемых параметров прочности проектным условиям.
Для предварительного установления нормативных прочностных свойств связных грунтов в теле сооружений на стадиях проектирования могут быть использованы данные СНиП 2.02.01-83 и СНиП 2.02.02.-85, результаты исследований Маслова Н.Н. [106, 107, 108], Ничипоровича А.А. [114; 181], Бу-ренковой В.В. [23], ВНИИ ВОДГЕО [156], графики Истоминой B.C. [181] и т.д., но с обязательным уточнением этих параметров в начале строительства. Методики, рекомендации, зависимости для оперативного геотехнического контроля прочностных характеристик уложенного грунта в противофильтра-ционные элементы плотин практически отсутствуют.
