Строительство плотин из смесей глинистых грунтов

ISSN 0132-2796. Сб. научн. тр. Гидропроекта. 1993. Вып. 154. УДК 627.8.002 : 522.52 С. В. БОРТКЕВИЧ, канд. техн. наук; С. Т. ВАРДАНЯН, М. С. ПЕТРОВ, инженеры (НИИЭС)

Излагаются результаты полевых и лабораторных исследований, выполненных для обоснования конструкции и технологии возведения дамб верхнего бассейна Загорской ГАЭС из моренных грунтов в смеси с переувлажненными покровными суглинками. Исследования показали, что смеси моренных и покровных суглинков могут быть использованы для возведения дамб при обеспечении надлежащего контроля за качеством укладки. Использование неоднородных по составу месторождений, представленных связными грунтами, для возведения плотин и дамб позволяет значительно сократить площади и объемы отвалов, уменьшить отрицательное воздействие строительства на окружающую среду, при этом снижается и стоимость сооружения. При рядовой разработке месторождений глинистых грунтов зачастую образуются грунтовые смеси, состоящие из двух и более разновидностей (компонент), значительно отличающихся по своим физическим, водным и механическим свойствам. Качество уплотнения смесей глинистых грунтов приобретает особое значение, так как влияет на надежность и долговечность сооружений. С целью повышения устойчивости и прочности плотины ее тело выполняется более распластанного профиля, в виде чередующихся слоев или блоков разнородных грунтов. Главными факторами, диктующими качество возведения и надежность плотин из смесей глинистых грунтов, являются технологические параметры укладки глинистых грунтов — плотность и влажность. Использование распространенного в инженерной практике метода проектирования плотности-влажности тела насыпей по результатам стандартного лабораторного уплотнения допустимо только для однородных по составу грунтов. В практике строительства гидротехнических сооружений часто встречаются случаи использования карьерных грунтов, характеризующихся значительной неоднородностью.

Как показал опыт строительства Рузского, Можайского и Днестровского гидроузлов, для смесей глинистых грунтов постоянные величины 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. Строительство плотин из смесей глинистых грунтов требует выполнения комплексных исследований. Основными задачами этих исследований являются:

  1. Разработка методики проектирования критериев качества возведения сооружений из грунтовых смесей, которая позволяет установить диапазон допустимых изменений влажности составляющих грунтов и плотности смесей при любом соотношении компонентов.
  2. Оценка механических и деформационных свойств грунтовых смесей в зависимости от количественных соотношений компонентов.
  3. Выявление закономерности изменения сдвиговой прочности грунтовых смесей в зависимости от крупности компонентов при их различном количественном соотношении.
  4. Разработка технологии укладки грунтовой смеси, при которой формируется упорядоченная текстура насыпи, где низкопрочный грунт полностью помещается в пространстве, образованном более высокопрочным грунтом.
  5. Разработка оперативного метода контроля качества уплотнения грунтовых смесей.

Первый опыт создания насыпей из грунтовых смесей, где комплексно решены вышеперечисленные задачи, был получен при возведении дамб верхового 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 напора воды. Для этого определяли характерные влажности Wр, WL, 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 IL=0,5, па кривой полного водонасыщения Sr=1,0 отыскивали точку, ордината которой соответствует минимально-допустимому значению плотности сухого грунта ρdmin. Для моренного суглинка ρdmin равно 1920 кг/м3, а для покровного— 1660 кг/м3. Максимальное значение плотности сухого грунта моренного суглинка оказалось равным 2030 кг/м3, а покровного — 1730 кг/м3.

Из рисунка видно, что кривые стандартного уплотнения пере-секаются горизонтальной линией с ординатой ρdmin 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 W доп=0,085-0,136, а для покровного суглинка Wдоп= 0,166-0,208.

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

А, Б — моренные и покровные суглинки; С кривая стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-77; JL—показатель текучести, Sr — степень влажности, Wдоп — допустимая влажность компонентов грунтовой

Плотность грунтовой смеси ρdсм при различном соотношении со-ставляющих компонентов определяли, согласно, по зависимости:

где ρdА , ρdБ — плотность моренного и покровного суглинков;

Р —процентное содержание покровного суглинка в смеси (при Р=100% грунт состоит только из покровного суглинка, а при P=0% — только из моренного).

Для проверки применяемой методики проектирования техноло-гических 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, про-сеивание 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, 0%), увлажнение грунтовой смеси, выдерживание ее в эксикаторе и уплотнение; второй включает следующие операции: размельчение каждой разновидности грунтов естественной влажности на кусочки с условным диаметром 2 мм, смешивание кусочков грунта в заданном соотношении, уплотнение грунтовой смеси при естественной влажности, после подсушивания или увлажнения. Результаты уплотнения представлены на рис. 2, А.

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 па результаты уплотнения. На рис. 2, Б приведено сравнение экспериментальных и расчетных значений максимальной плотности грунтовой смеси с различным процентным содержанием покровного грунта, откуда видно, что экспериментальная кривая плотности смеси очень близка к расчетной. Минимально допустимые значения ρdmin близки к 0,95ρdmax что соответствует параметрам плотности, достигнутым при строительстве многих зарубежных плотин из глинистых грунтов.

Рис. 2. Результаты лабораторного уплотнения (А) и контрольные параметры плотности (Б) грунтовых смесей, составленных из высушенных и перемолотых грунтов (1) и из кусочков грунта природной влажности (2):

ρdmax — максимальная плотность сухого грунта в смеси по расчету,

ρDmax —то же по экспериментальным данным; ρdmin —минимально

допустимая плотность сухого грунта в смеси по расчету

Для более полного решения вопроса о возможности использования пластичных разностей делювиально-покровных отложений в смеси с моренными грунтами, как строительного материала дамб обвалования верхнего аккумулирующего бассейна, а также для прогноза их поведения были проведены четыре серии опытов по определению прочностных и деформационных свойств грунтовых смесей.

Сопротивление сдвигу грунтовых смесей в лабораторных условиях определялось в одноплоскостных сдвиговых приборах методом сдвига образцов по фиксированной поверхности, т. е. на стандартных приборах ПСГ, имеющих диаметр образца 71,4 мм, и площадь сдвига 40 см2 и рассчитанных па нормальное давление от 0,0 до 0,6 МПа. Кроме этих приборов, для решения задач по исследованию влияния масштабного фактора и установления зависимости параметров сопротивления сдвигу от степени измельченности компонентов был изготовлен большой сдвиговой прибор, в котором можно было испытывать грунтовые материалы различной крупности, влажности, разнозернистости.

Основой конструкции прибора является массивная рама из швеллеров, в которую опираются горизонтальный и вертикальный винтовые домкраты, а также толстостенная обойма из двух одинаковых колец диаметром 273 мм. В процессе опыта верхнее кольцо прибора остается неподвижным, а нижнее перемещается по рельсовой тележке, установленной в основании обоймы. Поддержание заданного зазора между сдвигаемыми кольцами осуществляется набором специальных металлических колец того же диаметра, что и кольца обоймы. Кроме этого, на верхнем кольце обоймы установлен специальный фиксатор для поддержания постоянного зазора в процессе сдвига. При подготовке образца к испытаниям обойма в сборе, с необходимым зазором между кольцами, устанавливается на площадку, где производятся загрузка обоймы грунтовым материалом и его уплотнение. Затем производятся взвешивание грунта с обоймой и перемещение его в установку. После этого устанавливаются верхний штамп и динамометр, на образец передается небольшое осевое давление и обойма освобождается от временных стопоров. Горизонтальная сдвигающая нагрузка передается с помощью горизонтального винтового домкрата через динамометр и передаточное устройство. Преимущество прибора заключается в следующем:

После исследований на уплотпяемость из монолитов вырезалось по три кольца для проведения испытаний на сдвиг. Перед испытанием образцов первой серии (из грунтовой пасты) на сдвиг они насыщались водой, а образцы второй серии (природной влажности) не водонасыщались. При проведении третьей и четвертой серий исследований прочностных свойств смесей использовалась большая сдвиговая установка. В третьей серии в контейнер сдвиговой установки укладывалась грунтовая смесь из агрегатов (частиц) размером 2 мм. Для установления влияния масштабного фактора, т. е. установления зависимости параметров сопротивления сдвигу от измельченности одного из компонентов смеси (покровного суглинка), в четвертой серии грунтовая смесь укладывалась в контейнер сдвиговой установки агрегатами покровного грунта размером 2, 15, 30, 60 мм. В качестве основной принималась схема ускоренного сдвига, т. е. без предварительного уплотнения грунта и при относительно быстром приложении сдвигающих нагрузок. Сдвигающее усилие прикладывалось ступенями с таким расчетом, чтобы продолжительность сдвига была равной 5—6 мин.

Деформационные свойства грунтов изучались в компрессионных приборах системы Гидропроекта по стандартной методике. Модуль деформации грунта определялся методом одноосного сжатия со ступенчатым приложением нагрузок. Вертикальные деформации измерялись с помощью индикаторов часового типа с погрешностью измерений 0,01 мм через определенные интервалы времени. Каждая ступень выдерживалась до условной стабилизации грунта. Как видно из рис. 3, А, экспериментальные значения сопротивления сдвигу паст (первый этап исследований) показывают, что прочность зависит от соотношения компонентов. Так, при соотношении 1:1, когда «работает» как покровный, так и моренный грунт в смеси, получаем наименьшее значение сопротивления сдвигу (tgω=0,27), а при соотношении компонентов 1:4 (20% покровного и 80% моренного) нагрузку воспринимает более высокопрочный моренный суглинок и значение сопротивления сдвигу здесь наибольшее (tgω=0,345), Вторая серия опытов проведена на приборе ПСГ с грунтами естественной влажности, размером агрегатов менее 2 мм.

На втором этапе исследования, где в качестве исходного материала использовались покровные грунты с естественной влажностью от 0,20 до 0,22 и плотностью сухого грунта от 1650 до 1700 кг/см3 и моренные грунты с естественной влажностью от 0,10 до 0,12 и плотностью сухого грунта от 1980 до 2020 кг/см3, взяты более широкие диапазоны процентного (весового) изменения составляющих компонентов смесей от 4: 1 до 1 : 10, т. е. от 80 до 9% покровных и от 20 до 91% моренных грунтов. Такой широкий диапазон исследований выбран для более полного выявления характера изменения прочности смеси при сдвиге в зависимости от содержания отдельных компонентов смеси.

Рис. 3. Результаты сдвиговых испытаний грунтовых смесей на примере паст (А) и грунта естественной влажности с размером частиц 2 мм (Б) на приборе ПСГ, S = 40 см2 и приборе БСП, S =510 см2 (В):

1, 2 — зависимости tgω (Р) и С(Р); Р, РI — содержание покровных и моренных грунтов в смеси, %

Если на первом этапе исследований естественная влажность подбиралась лабораторным путем, исходя из известных средних значений природной влажности покровных и моренных грунтов, то. во второй серии опытов влажность смеси соответствует средней влажности непосредственно карьерного грунта для каждого соотношения компонентов. Средняя влажность смеси при исследованиях изменялась в широком диапазоне от 0,198 для смеси с соотношением 4:1 до 0,114 в смеси с соотношением моренного и покровного грунта 1:10, плотность изменялась от 1690 до 1990 кг/см3 соответственно. Сравнивая кривые зависимости коэффициента внутреннего трения и сцепления, грунтовой смеси естественной влажности и паст от весового содержания моренных грунтов в смеси, приведенные на рис. 3, видно, что для них характерно увеличение прочностных свойств с увеличением содержания моренных грунтов. Для паст зависимость имеет практически линейный характер, у грунтовой смеси естественной влажности—нелинейная зависимость, рис. 3, Б.

Кривую, приведенную на рис. 3, Б, можно разбить на несколько участков: на первом участке при изменении соотношения от 0 до 0,2 на прочностные свойства оказывается в основном влияние покровного суглинка, на втором — от 0,2 до 0,5 увеличение tgω идет за счет увеличения содержания моренного грунта и роста структурной прочности смеси, на третьем — от 0,5 до 0,67 увеличение содержания моренного грунта в смеси практически не влияет на прочностные характеристики смеси, на четвертом — от 0,67 до 0,75 резко возрастает влияние моренного грунта на прочностные характеристики смеси, на пятом— от 0,75 до 0,83 идет постепенный рост значений tgω с увеличением содержания моренного грунта в смеси. И, наконец, на последнем участке—от 0,83 до 1,00, идет постепенное выполаживание кривой, так как «работает» практически один моренный грунт, значение tgω близко к «чистому» моренному суглинку.

Третья серия опытов проведена на большой сдвиговой установке на образцах грунтовых смесей, состоящих из частиц грунтов естественной влажности размером менее 2 мм с соотношением компонентов 1:0; 0: 1; 1:1; 1:2; 1:3; 1:4 и 1:5 с целью методических испытаний установки, а также проверки влияния масштабного эффекта на прочностные характеристики смеси. Под масштабным эффектом подразумевается соотношение между диаметром контейнера и размером частиц грунтовой смеси. Из рис. 3, В видно, что характер кривых зависимости коэффициента трения смесей естественной влажности от содержания моренных грунтов в смеси, полученных на малой и большой сдвиговых установках, имеют аналогичный характер.

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 опытов проведена па большой сдвиговой установке на образцах грунтовых смесей, состоящих из частиц покровного Грунта естественной влажности размером 2, 15, 30, 60 мм с количественным соотношением компонентов 1:1, 1:2, 1:3 и 1 :5 с целью исследования влияния степени измельченности частиц (агрегатов) грунта на прочностные характеристики смесей. Результаты исследований приведены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты сдвиговых испытаний грунтовых смесей с различным размером частиц в большом сдвиговом приборе:

1:5— весовое соотношение компонентов и смеси, где содержание покровного суглинка Р равно 17%, а моренного РI — 83%

Как видно из рисунка, влияние степени измельченности (увеличение размеров частиц упаковки монолитов) в большей степени характерно для соотношения 1:3 и 1:2 и в меньшей степени — для соотношений 1:5 и 1:1. Так, приращение tgω для соотношения 1 : 3 при изменении степени измельчеиности от 2 до 60 мм составляет 0,08 или 4°, для соотношения 1:2 — 3°, а для соотношения 1:5 и 1:1 — всего 22 и 48′ соответственно. Причем наиболее интенсивное изменение угла внутреннего трения характерно в диапазоне степени измельченности частиц от 15 до 30 мм. Таким образом, увеличение коэффициента внутреннего трения, нарастание механической прочности на сдвиг, происходит за счет масштабного фактора, отношения диаметра контейнера к размеру частиц грунта: чем оно меньше, тем выше механическая прочность грунтовой смеси, и наоборот, чем больше величина отношения диаметра прибора к диаметру включений покровного грунта, тем меньше механическая прочность. Поэтому, чем больше будет размер компонентов грунтовой смеси, уложенной в тело дамбы, тем выше будет механическая прочность грунтовой смеси. Оптимальное соотношение между линейными размерами компонентов смеси и сооружения, возводимого из этой смеси, составляет 1:5, Для оценки сжимаемости грунтовых смесей проведены компрессионные испытании для следующих количественных соотношений компонентов смесей 1:1, 1:2, 1:3, 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 лишь незначительно— по сжимаемости.

Проведенные эксперименты показали, что в исследованном диапазоне изменения соотношений покровных и моренных грунтов в смеси изменение содержания моренных грунтов влияет па 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 величину сопротивления 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 следующие параметры сопротивления сдвигу — табл. 1. Анализ результатов исследований деформативпых свойств грунтовых смесей в зависимости от количественных соотношений Компонентов позволил рекомендовать следующие параметры де-формации— табл. 2. При производственной укладке грунтовой смеси особое внимание было уделено раскладке компонентов (моренного и покровного грунтов) по телу насыпи. Насыпь состояла из горизонтальных, чередующихся по высоте и длине слоев грунта1 а уплотнение 0,15 м слоя отсыпки достигалось груженым скрепером массой 36 т, причем за три прохода скрепера было достигнуто предельное уплотнение смеси.

Таблица 1.

Количественное соотношение покровного и моренного грунтов

Коэффициент внутреннего трения tgφ

Сцепление с, МПа

 

1:1

0,26

0,055

1:2

0,30

0,055

1:3

0,32

0,055

1:4

0,36

0,055

1:5

0,40

0,055

1:10

0,42

0,055

Таблица 2.

Давление

s, МПа

Модуль деформации Е, МПа

 

Покровного грунта

 

Смеси с соотношением компонентов

 

Моренного грунта

 

1:1

1:2

1:3

1:5

0,1

2,7

3,1

4,0

4,4

4,8

6,6

0,3

4,6

5,1

5,9

6,9

7,4

9,2

0,6

8,4

8,8

9,9

11,2

13,1

16,0

 

Но при укладке четырех слоев отсыпки толщиной примерно 0,50 м производилось дополнительное до уплотнение грунтовой смеси шестью проходами груженого скрепера. При укладке двухкомпонентной грунтовой смеси сформировалась упорядоченная текстура, при которой низкопрочный грунт находился в матрице наиболее прочного грунта, т. е. как бы «плавал» в моренном грунте. На рис. 6 предлагается классификация плотин из. двухкомпонентных грунтовых смесей, где компоненты имеют как неупорядоченное—мозаичное расположение так и упорядоченное — слоистое или блочное.

При проведении контроля качества уплотнения грунтовой смеси на опытно-производственных укатках 1987 г. был опробован новый способ 2, 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 возможен потому, что уплотнение грунтовой смеси происходит, в основном, за счет изменения пористости наиболее уплотняемой разновидности грунта — моренного суглинка.

Рис. 6. Классификация плотин из грунтовых смесей

Предлагаемый способ контроля качества уплотнения грунтовой смеси (см. рис. 2) состоит из следующих операций:

Если достигнута требуемая плотность наиболее уплотняемой грунтовой разновидности, значит достигнута и требуемая плотность грунтовой смеси в целом.

Таким образом, использование грунтовых смесей в качестве материала для возведения инженерных сооружений следует считать перспективным направлением как в гидротехническом, так и в сельском, дорожном, промышленном и других отраслях строительства, так как, помимо, экономического эффекта, полученного от использования грунтов вскрыши месторождений в смеси с грунтами полезной толщи, резко снижает величину ущерба окружающей среде за счет сокращения площади карьеров и отвалов.