Смеси моренных и покровных суглинков для возведения дамб Загорской ГАЭС

БОРТКЕВИЧ С. В., кандидат техн. наук, ВАРДАНЯН С. Т. и ПЕТРОВ М. С., инженеры

Дамбы верхнего бассейна Загорской ГАЭС имеют про-тяженность 8972 м и высоту от 15 до 35 м. На участках ПК 0 —ПК 8 и ПК 62 —ПК 89+72, где их высота составляет 25—35 м, возводятся полностью из моренных грунтов. На участках ПК 8 — ПК 62 для возведения нижнего откоса дамб высотой 15—25 м использованы моренные и покровные суглинки. В естественной залежи толщина покровных суглинков над мореной составляет от 1,5 до 10 м. Вывоз их в отвал проблематичен, так как требует отчуждения земель и дополнительных затрат, поэтому было принято решение укладывать эти грунты в смеси с мореной. Переменное соотношение покровных суглинков и морены в смеси обусловливают значительную неоднородность грунта.

При строительстве гидротехнических сооружений встречаются случаи использования грунтов, характеризую-щихся значительной неоднородностью, Качество укладки грунтов в этих случаях приобретает особое значение, так как влияет на надежность и долговечность сооружений. Главными факторами, определяющими качество укладки грунтов, являются технологические параметры — плотность и влажность.

Использование распространенного в инженерной практике метода проектирования плотности — влажности грунта тела насыпей по результатам стандартного лабораторного уплотнения допустимо только для однородных по составу грунтов.

Как показал опыт строительства Рузского, Можайского и Днестровского гидроузлов, для смесей глинистых грунтов постоянные значения плотности — влажности не обеспечивают достижение требуемого качества всего объема уплотняемого грунта. При возведении ядра Днестровской плотины для неоднородных глинистых грунтов применяли переменные критерии плотности — влажности, зависящие от пластичности грунта, но при этом недостаточно полно учитывали реальную работу грунтовой смеси в теле сооружений.

Рис. 1. Проектирование плотности и влажности компонентов грунтовой смеси, состоящей из разнородных суглинков, для возведения плотины:

А — моренные суглинки; В— покровные суглинки; С — кривая стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-77; JL — показатель текучести; Sr — степень влажности; wдоп — допустимая влажность компонентов грунтовой смеси; wопт, — оптимальная влажность грунта; ωp и ωL — соответственно влажность на границе раскатывания и границе текучести; N, К, Д, Г — характерные точки, используемые для графического определения минимально допустимых ρdмин и максимальных ρdмакс значений плотности сухого грунта

Строительство плотин и дамб из смесей глинистых грунтов требует выполнения комплексных исследований. Основные задачи этих исследований:

Первый опыт создания насыпей из грунтовых смесей, где комплексно решены вышеперечисленные задачи, был получен при возведении дамб верхнего» бассейна Загорской ГАЭС в 1987—1988 гг. В дамбы укладывалась смесь моренных и покровных суглинков, имеющих различные физико-механические характеристики. Моренные и покровные суглинки района строительства в естественном залегании имеют в основном полутвердую и тугопластичную. консистенцию. Необходимо было подобрать такую плотность укладки, которая обеспечивала бы сохранение этой консистенции после укладки грунтов в сооружение при их: водонасыщении под действием создаваемого напоры воды. Для этого определяли характерные влажности ωР, ωL а также уплотняемость покровных и моренных суглинков согласно ГОСТ 22733-77.

Затем строили графики стандартного уплотнения (рис. 1) и с помощью этих графиков, принимая за абсциссу значение влажности грунта, соответствующее предельному значению тугопластичной консистенции JL=0,5, на кривой полного водонасыщения Sr=1 отыскивали точку N, ордината которой соответствует ρdмин минимально допустимому значению плотности сухого грунта. Для моренного суглинка ρdмин = 1920 кг/м3, а для покровного — 1660 кг/м3. Максимальная плотность сухого грунта ρdмакс для моренного суглинка оказалась равной 2030 кг/м3 а для покровного — 1730 кг/м3 (точка F). Из рисунка видно, что кривые стандартного уплотнения пересекаются горизонтальной линией с ординатой ρdмин в двух точках Д и К. Абсциссы этих точек являются предельными значениями влажностей, в интервале которых достигается требуемое уплотнение грунтов. Для моренного суглинка эти значения ωдоп = 0,085—0,136, а для покровного суглинка ωдоп = 0,166—0,208.

Плотность сухой грунтовой смеси ρdсм при различном соотношении составляющих компонентов определяли согласно по зависимости:

где ρ— плотность сухого моренного суглинка; ρ— плотность сухого покровного суглинка; Р—процентное содержание покровного суглинка в смеси (при Р=100 % — грунт состоит только из покровного суглинка, а при Р=0 % — только из моренного).

Для проверки применяемой методики проектирования технологических параметров уплотнения смеси из разнородных глинистых грунтов были проведены исследования уплотняемости грунтовых смесей, приготовленных двумя способами: первый — включает предварительное растирание воздушно-сухого грунта в мельнице, просеивание его через сито с отверстием 2 мм, смешивание покровного и моренного суглинков в воздушно-сухом состоянии с заданным содержанием покровного суглинка в смеси (100; 50; 33; 25; 20; 17%), увлажнение грунтовой смеси, выдерживание ее в эксикаторе и уплотнение; второй — включает операции: размельчение каждой разновидности грунтов естественной влажности на кусочки условным диаметром 2 мм, смешивание кусочков грунта в заданном соотношении, уплотнение грунтовой смеси при естественной влажности, после подсушивания или увлажнения (рис. 2). Исследования уплотняемости грунтовых разностей и их смесей показали, что наибольшие плотности достигаются при наименьшем содержании покровного грунта в смеси. Увеличение влажности покровного грунта снижает достигаемую плотность только у этого материала и при содержании его в смеси от 50 до 17 % практически не влияет на уплотняемость грунтовой смеси. Способ подготовки грунтовой смеси не влияет на результаты уплотнения. На рис. 2 также приведено сравнение экспериментальных и расчетных значений максимальной плотности грунтовой смеси с различным процентным содержанием покровного грунта, откуда видно, что экспериментальная кривая плотности смеси близка к расчетной.

Минимально допустимые значения ρdмин близки к 0,95 ρdмакс, что соответствует параметрам плотности, достигнутым при строительстве многих отечественных и зарубежных плотин из глинистых грунтов. Для более полного решения вопроса о возможности использования покровных отложений в смеси с моренными грунтами, как строительного материала дамб верхнего аккумулирующего бассейна, а также для прогноза их поведения в сооружении были проведены четыре серии исследований по определению прочностных и деформационных свойств грунтовых смесей.

Сопротивление сдвигу грунтовых смесей определяли на стандартных приборах ПСГ, имеющих диаметр образца 71,4 мм и рассчитанных на нормальное давление до 0,6 МПа, Кроме этих приборов, для решения задач по исследованию влияния масштабного фактора и устаиовления зависимости параметров сопротивления сдвигу грунтовой смеси от степени измельченности ее компонентов был изготовлен большой сдвиговый прибор (БСП), в котором можно было испытывать грунтовые смеси при крупности компонентов до 60 мм. Диаметр сдвиговых кареток прибора 273 мм. Перед испытанием на сдвиг образцы первой серии (приготовленные из грунтовой пасты) насыщали водой, а образцы второй серии (приготовленные из грунтов природной влажности) не водонасыщали. Эти серии исследо-ваний выполняли на стандартных приборах ПСГ. При проведении третьей и четвертой серий исследований сдвиговой прочности смесей использовали большой сдвиговой прибор. В третьей серии в каретки сдвигового прибора укладывали грунтовую смесь, состоящую из агрегатов (частиц) размером 2 мм. Для выявления влияния масштабного фактора, т. е. установления зависимости параметров сопротивления сдвигу от измельченности компонентов смеси, в четвертой серии в каретки сдвигового прибора укладывали грунтовые смеси, состоящие из агрегатов размером 2, 15, 30, 60 мм. Все испытания производили по схеме ускоренного сдвига, т. е. без предварительного уплотнения грунта и при относительно быстром приложении сдвигающих нагрузок. Сдвигающее усилие прикладывали ступенями с таким расчетом, чтобы продолжительность сдвига была равной 5—6 мин.

Рис. 2. Результаты лабораторного уплотнения (Л) и контрольные параметры плотности (В) грунтовых смесей:

-◊-◊-— смеси, составленные из высушенных и перемолотых грунтов; -ο-ο-— смеси, составленные из кусочков грунта природной влажности; ρdмакс — максимальная плотность сухого грунта в смеси по расчету; ρdмакс — то же по экспериментальным данным; ρdмин — минимально допустимая плотность сухого грунта в смеси по расчету

Деформационные свойства грунтов изучали в компрес-сионных приборах системы Гидропроекта по стандартной методике. Модуль деформации грунта определяли методом одноосного сжатия со ступенчатым приложением нагрузок. Каждую ступень нагрузки выдерживали до условной стабилизации грунта. Как видно из рис. 3,а, экспериментальные значения сопротивления сдвигу паст (первая серия исследований) показывают, что сдвиговая прочность грунтовой смеси зависит от соотношения компонентов. При соотношении компонентов 1:1, когда в смеси практически одинаково нагружены покровный и моренный суглинки, значение сопротивления сдвигу составляет tgω = 0,27, С = 0,0055 МПа, а при соотношении компонентов 1 : 4 (20 % покровного и 80 % моренного) основную нагрузку воспринимает на себя более высокопрочный моренный суглинок и значение сопротивления сдвигу смеси повышается до tgω = 0,345, С = 0,006 МПа. Зависимость коэффициента внутреннего трения tgω смеси от содержания морены (Р1) практически линейна. Вторая серия исследования проведена с грунтами естественной влажности, размер агрегатов в смеси 2 мм.

Во второй серии исследований в качестве исходного материала для приготовления грунтовых смесей использовали покровные суглинки с влажностью от 0,20 до 0,22, плотность сухого грунта от 1650 до 1700 кг/м3, и моренные суглинки с влажностью от 0,10-до 0,12, плотность сухого грунта от 1980 до 2020 кг/м3. При этом рассмотрен более широкий диапазон соотношения составляющих компонентов в смеси — от 4:1 до 1: 10, т. е. от 80 до 9 % покровных и от 20 до 91 % моренных суглинков. Это сделано для более полного выявления характера изменения прочности смеси при сдвиге в зависимости от соотношения компонентов. Средняя влажность грунтовой смеси при исследованиях изменялась в диапазоне от 0,198 для соотношения покровного и моренного суглинка 4:1 до 0,114 для соотношения 1:10, плотность изменялась соответственно от 1690 до 1990 кг/м3. Сдвиговая прочность смеси грунтов естественной влажности в общем, как и у паст, повышается с увеличением содержания моренных суглинков (Р1), что видно из рис. 3,б, однако зависимость tgφ=f(P1) криволинейна и ее можно разбить на несколько характерных участков:

на первом участке — при содержании морены Р1 = 0—20 % на коэффициент внутреннего трения смеси сказывается в основном влияние покровного суглинка, на втором — при Р1 = 20—50 % увеличение tgφидет за счет увеличения содержания моренного грунта, на третьем — при Р1 = 50—65 % увеличение содержания моренного грунта в смеси практически не влияет на прочностные характеристики смеси, на четвертом — при Р1=65—85 % резко возрастает влияние содержания моренного грунта на коэффициент внутреннего трения, на пятом — при Р1 = 85— 100 % идет постепенное выполаживание кривой при значениях tgω, соответствующих моренному суглинку.

Третья серия исследований проведена на большой сдвиговой установке с образцами грунтовых смесей, со-стоящих из частиц грунтов естественной влажности размером менее 2 мм при соотношении компонентов покровной суглинок — морена 1:0; 0:1; 1:1; 1:2; 1:3; 1:4 и 1:5.

Рис. 3. Результаты сдвиговых испытаний грунтовых смесей, приготовленных из паст

(а) и грунта естественной влажности с размером частиц 2 мм (б) на приборе с площадью среза S = 40 см2 и на приборе с площадью среза S=510 см2 (б);

-ο-ο— — зависимость tgω=f(P1);

-•-— — зависимость С=f(P1);

Р — содержание покровных суглинков в грунтовой смеси, %;

Р1 — содержание моренных суглинков в грунтовой смеси, %

Эта серия исследований проведена с целью методических испытаний этой установки, а также проверки влияния масштабного эффекта на прочностные характеристики смеси. Под масштабным эффектом подразумевается соотношение между размером образца и размером частиц грунтовой смеси. Из рис. 3, в видно, что зависимости коэффициента трения и сцепления смесей естественной влажности от содержания моренных грунтов в смеси, полученные на малок и большой сдвиговой установке, аналогичны. По результатам первых трех серий исследований механических свойств грунтовых смесей можно сделать вывод, что размер прибора и способ приготовления образцов; (пасты или измельченный грунт естественной влажности) практически не оказывают влияния на сдвиговую прочность. Четвертая серия исследований проведена на большой сдвиговой установке с образцами грунтовых смесей, со- стоящими из частиц (агрегатов) покровного грунта естественной влажности размером 2, 15, 30, 60 мм с количественным соотношением компонентов покровный суглинок — морена 1:1; 1:2; 1:3 и 1:5. Эта серия исследований проведена с целью изучения влияния степени измельченности частиц (агрегатов) грунта на прочностные характеристики смесей. Результаты исследований прочностных свойств грунтовых смесей четвертой серии приведены на рис. 4. Как видно из рисунка, влияние измельченности компонентов смеси в наибольшей степени проявляется при их соотношении 1:3 и 1:2 и в меньшей степени для соотношений 1:5 и 1:1.

Рис. 4. Результаты определения коэффициентов внутреннего трения с различным размером частиц компонентов в большом сдвиговом приборе:

1:5 — весовое соотношение компонентов в смеси, где содержание покровного суглинка (Р) равно 17 %, а содержание моренного суглинка (P1) равно 83 %

Приращение коэффициента внутреннего трения для соотношения компонентов 1 : 3 при изменении их линейных размеров от 2 до 60 мм составляет 0,08 или по углу внутреннего трения 4°36′ для соотношения компонентов 1:2 — 0,04 или 3°30′, а для соотношения 1:5 и 1 : 1 всего на 0,03 и 0,014 или 1°42′ и 48′. Причем наиболее интенсивное увеличение угла внутреннего трения происходит при изменении линейных размеров частиц от 15 до 30 мм. Чем меньше отношение диаметра испытываемого образца к линейному размеру частиц, тем выше механическая прочность грунтовой смеси, и наоборот, чем больше отношение диаметра образца к линейному размеру включений, тем меньше ее механическая прочность. Это дает основание считать, что с увеличением размеров компонентов грунтовой смеси в теле дамбы возрастает ее сдвиговая прочность. Оптимальное соотношение между линейными размерами компонентов смеси и сооружения, возводимого из этой смеси, составляет 1:10—1:5.

Для оценки сжимаемости грунтовых смесей проведены компрессионные испытания при следующих количественных соотношениях компонентов покровной суглинок — морена 1:1; 1:2; 1:3 и 1:5. Испытания проведены на грунтах естественной влажности. Результаты компрессионных испытаний в виде зависимостей i=f(σ) приведены на рис. 5. Обращает внимание то обстоятельство, что образцы смесей с соотношением компонентов 1:2; 1:3; 1:5 значительно отличались друг от друга по начальной плотности и незначительно — по сжимаемости. Проведенные эксперименты показали, что в исследо-ванном диапазоне изменения соотношений покровных и моренных грунтов в смеси, изменение содержания моренных грунтов влияет на прочность и деформируемость смесей; с увеличением содержания моренных грунтов сопротивление сдвигу смесей увеличивается, а деформируемость снижается. При этом увеличение содержания моренных грунтов в смеси оказывает заметное влияние на сопротивление сдвигу и в значительно меньшей мере влияет на характеристики деформируемости. Анализ результатов исследований прочностных свойств грунтовых смесей в зависимости от количественных соотношений компонентов позволил рекомендовать С=0,0055 МПа и коэффициенты внутреннего трения, указанные в табл. 1. Такой же анализ результатов исследований сжимаемости грунтовых смесей позволил рекомендовать модули деформации, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Значения коэффициента внутреннего трения грунтовых смесей в теле дамбы верхнего бассейна ГАЭС

Количественное соотношение покровного и моренного грунта

Коэффициент внутреннего трения

1:1

0,26

1:2 0,30
1:3 0,32
1:4 0,36
1:5 0,40
1:10

0,42

Таблица 3. Значения модулей деформации грунтовых смесей в теле дамбы верхнего бассейна ГАЭС

Давление

σ, МПа

Модуль деформации Е, МПа

Покровного грунта

Смеси с соотношением компонентов

Моренного грунта

1:11:21:31:50,12,73,14,04,44,86,60,34,65,15,96,97,49,20,68,48,89,911,213,116,0

На основании натурных и лабораторных исследований фильтрационной способности моренных и покровных суглинков, а также расчетных значений водопроницаемости грунтовых смесей в зависимости от содержания покровного суглинка рекомендованы Кф, которые приведены на рис. 6.

Рис. 5. Результаты компрессионных испытаний грунтовых смесей естественной влажности, линейный размер частиц компонентов 2 мм:

1:5 — весовое соотношение компонентов в смеси, где содержание покровного суглинка (Р) равно 17 %, а содержание моренного суглинка (Р1) равно 83 %

Рис. 6. Результаты фильтрационных исследований грунтовых смесей:

— — — — — — зависимость кф=f(P); Р — содержание покровных суглинков в грунтовой смеси, %

При производственной укладке грунтовой смеси особое внимание было уделено раскладке компонентов (моренного и покровного грунта) по телу насыпи. Насыпь выполняли горизонтальными чередующимися по высоте и длине слоями грунта, а уплотнение слоев отсыпки толщиной 0,15 м производили груженым скрепером массой 36 т, причем за три прохода скрепера достигалось предельное уплотнение смеси. После укладки каждых 4 слоев производили дополнительное уплотнение грунта 6 проходами груженого скрепера. При укладке двухкомпонентной грунтовой смеси сформировалась упорядоченная текстура, при которой низкопрочный грунт находился в матрице наиболее прочного грунта.

Рис. 7. Классификация плотин из грунтовых смесей

В результате исследований, выполненных при возведении дамб, предложена классификация плотин из двухкомпонентных грунтовых смесей (рис. 7), где компоненты грунтовой смеси имеют как неупорядоченное — мозаичное расположение, так и упорядоченное — слоистое или блочное распо-ложение.  При проведении геотехконтроля на опытно-произ-водственных укатках 1987 г. был опробован новый способ контроля качества уплотнения грунтовых смесей, который заключается в том, что из грунтовой смеси выделяют наиболее уплотняемую грунтовую разновидность и по ее плотности судят о качестве уплотнения грунтовой смеси в целом. Такой контроль качества уплотнения возможен потому, что уплотнение грунтовой смеси происходит в основном за счет изменения пористости наиболее уплотняемой разновидности грунта — моренного суглинка.

Выводы.

  1. В процессе исследований смесей моренных и покровных суглинков для возведения дамб верхнего бассейна Загорской ГАЭС разработана методика проектирования параметров укладки грунтовых смесей, обеспечивающая высокое качество работ и эксплуатационную надежность сооружения.
  2. Предложена технология возведения грунтовых со-оружений из смесей глинистых грунтов, которая не требует их перемешивания, а предусматривает укладку этих грунтов в определенном соотношении, что значительно сокращает стоимость строительства и позволяет выполнять земляные работы как скреперами, так и экскаваторами.
  3. Обосновано количественное соотношение компонен-тов грунтовой смеси, при котором формируется упорядо-ченная текстура насыпи, где низкопрочный грунт полностью помещается в пространстве, образованном высокопрочным грунтом.
  4. Изучены закономерности изменения строительных свойств грунтовых смесей в зависимости от количественного соотношения покровного и моренного суглинков в смеси.
  5. Установлено повышение сдвиговой прочности масси-ва, выполняемого из грунтовой смеси, при увеличении крупности составляющих компонентов, а также оптимальное соотношение линейных размеров сооружения и компонентов грунтовой смеси.
  6. Разработан и внедрен в производство новый способ контроля качества уплотнения грунтовых смесей,
  7. Показано, что использование грунтовых смесей в качестве материала для возведения инженерных сооружений следует считать перспективным направлением в гидротехническом, сельском, дорожном, промышленном и др. отраслях строительства, так как помимо экономического эффекта, получаемого от использования грунтов вскрыши месторождений в смеси с грунтами полезной толщи, сни-жается величина ущерба окружающей среде за счет со-кращения площади карьеров и отвалов.