«Булатов Г.Я. Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГПУ 2002 Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет Булатов Г.Я. ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ТЕОРИЮ ...»
Отметим, что при постоянном потоке справедливо соотношение Продолжительность перекрытия слоя (яруса) или время отсыпки отдельного i -го элемента сооружения где Li – длина i -го элемента насыпи в направлении скорости vi, Vi – объем i -го элемента насыпи, Tпi – продолжительность перерыва в процессе или после отсыпки.
Эти зависимости определяют и время замачивания, а также и возраст насыпи в любой ее точке, от которого зависят все характеристики насыпи.
Например, время отсыпки одной ленты грунта (или время замачивания грунта открытой водой прудка) будет где l – длина ленты отсыпки (длина захватки), v y – скорость продвижения фронта отсыпки ленты, b – толщина ленты по горизонтали, h – высота ленты (слоя отсыпки грунта).
Скорость продвижения фронта отсыпки слоя в пределах захватки и время отсыпки слоя грунта на карте отсыпки 1 – элементарный объем (техатом) отсыпки (объем грунта в кузове самосвала), где B – ширина карты отсыпки, nз – число захваток в карте.
В свою очередь где V0 – объем грунта в транспортном средстве (объем техатома отсыпки), приведенный к плотности грунта в насыпи по аналогии с формулой (1.2.2), l0 – длина элементарного объема (отсыпанного техатома).
Толщина ленты (или скорость отсыпки) нормально откосу то же в направлении вертикали где – угол откоса с горизонтом.
Длина откоса отсыпки по наибольшему скату и его заложение Уточнение в виде изменения угла откоса по высоте можно представить в виде где 0 и K – параметры линейной зависимости.
Элементы высоты слоя отсыпки ограничиваются следующими условиями где hw – глубина воды в прудке, hпр – минимальная толщина надводной части слоя из условия проходимости транспортных средств, hw.min – минимальная глубина воды в прудке, hw.max – то же, максимальная, например, из условия ограничения отмыва пылеватых 9.2.2. Назначение требуемой плотности укладки грунта.
Плотность грунта в плотине при укладке может быть назначена из следующих условий:
1) из соответствия напряжениям сжатия от веса вышерасположенной части сооружения (по компрессионной кривой), 2) из условия ограничения водопроницаемости, 3) из условия соответствия стандартной степени плотности, 4) из соответствия естественной плотности, 5) исходя из мощности катков, 6) из условия фильтрационной устойчивости, 7) из условия общей устойчивости плотины, включая и сейсмоустойчивость, Ниже рассмотрена методика нахождения параметров технологии, обеспечивающих максимум плотности и минимум водопроницаемости отсыпаемых в воду грунтов.
9.2.3. Основы и критерии оптимизации технологии.
Для интегральной оценки основных особенностей технологии отсыпки грунта в воду введем понятие индекса намокания iн, который приближенно характеризует начальную степень захвата воды грунтом в процессе его отсыпки в прудок.
Рис. 9.2.2. Зависимости плотности и водопроницаемости Kф грунта I и II – зоны недостаточного и избыточного намокания грунта.
Ожидаемые кривые изменения плотности грунта и его коэффициент фильтрации kф в зависимости от индекса намокания приведены на рис. 9.2.2. Здесь значения оптимальных индексов намокания обозначены в виде i.опт – по плотности скелета грунта и iф.опт – по водонепроницаемости грунта. При этом, в зависимости от реальных условий отсыпки, можно получить два следующих соотношения индексов намокания В зоне I отсыпанный грунт не будет успевать размокать до перекрытия его следующим слоем и поэтому останется менее влажным, менее плотным, возможно, с отрицательным (вакуумирующим) поровым давлением в результате действия капиллярных сил от продолжающегося процесса выравнивания влажности грунта в его толще, с повышенным содержанием защемленного газа. Здесь грунт характеризуется неравномерностью распределения влажности и возможным наличием макропор.
В зоне II произойдет значительное размокание грунта при его отсыпке прежде, чем он будет перекрыт следующим слоем. Здесь насыпь будет отличаться пониженной плотностью, повышенной влажностью и большим поровым давлением. Грунт характеризуется однородностью и монолитностью сложения.
Целью опытной отсыпки в лабораторных и полевых условиях можно считать отыскание значений оптимальных индексов намокания. При этом на плотность грунта можно наложить следующие ограничения (рис. 9.2.2):
где I и II – возможные и [I ] и [II ] – требуемые плотности соответственно в зоне малых I и больших II индексов намокания из условия ограничения водопроницаемости [0 ] и [ф.п ] – требуемые плотности соответственно из условий ограничения осадок и обеспечения контактной фильтрационной прочности, – критическая плотность в зоне II, соответствующая началу трещинообразования, Kн – коэффициент надежности по плотности грунта, предупреждающий трещинообразование.
Разумеется, требуемые значения плотностей определяются в зависимости от степени водонасыщения грунта и от времени приложения нагрузок на экран, главной из которых является напор на сооружение.
Отсыпанный в воду грунт является наиболее ярко выраженной динамической системой, поэтому следует учитывать его возраст и все процессы рассматривать с учетом фактора времени. Графики на рис. 9.2.2 приведены на момент перекрытия отсыпанного грунта следующим слоем, но они будут трансформироваться с течением времени, включая и весь срок эксплуатации сооружения. Индекс намокания представим в виде где vн – скорость намокания комьев грунта, т. е. скорость проникания влаги внутрь комьев, vп – скорость отсыпки грунта нормально к откосу, w – степень замачивания ленты грунта по высоте, с – степень операционной слоистости отсыпки.
Средняя скорость намокания комьев приближенно определится выражением где Kф.к – коэффициент фильтрации материала комьев (в монолите), Hк – капиллярный напор в комьях, D – диаметр комьев.
Заметим, что произведение После подстановки определенных величин в (11) получим откуда видно, что индекс намокания интегрирует все основные физико-технологические параметры отсыпки.
Принимая в качестве критериев оптимизации равенства из выражения (14) находим параметры двух вариантов технологии, и на основе техникоэкономического сравнения выбираем наилучший.
В первом приближении можно принять:
1) скорость отсыпки v x = 5 K 10 м/ч, 2) время отсыпки одной карты Tк = 1 K 2 сут.
Скорость намокания vн по данным Роде А.А. (1952) как скорость капиллярного подъема воды в грунте с крупностью частиц 0,05... 0,01 мм при высоте подъема 10 см, которая примерно соответствует отсыпке из комьев грунта со средней крупностью 10 см, можно принять равной 0,5 м/ч.
9.2.4. Рекомендации по определению оптимальных параметров технологии из опытной отсыпки грунта.
Для выбора технологических параметров используем вариации индекса намокания. В результате опытных работ необходимо найти оптимальный индекс намокания, соответствующий максимуму на графике функции плотности грунта (рис 9.2.2). С целью экономии времени и средств на опытные работы, предлагается применить стратегию поиска с обратной связью. При этом вначале проводят опыт 01 при индексе iн.1 и опыт 02 при индексе iн.2 и наносят на график значения плотности 1 и 2 уложенного грунта. Условия каждого из последующих опытов определяют после анализа результатов опытов, проведенных ранее, на основе метода поиска «горки» (т. е. максимума функции плотности).
Опытные работы начинают с наибольшей толщины слоя. Далее варьируют длиной фронта отсыпки (длиной ленты), если опытная насыпь является частью сооружения; или – потоком грунта, если опытная насыпь рассматривается как отвал породы. В последнем случае поток может быть форсирован за счет временного накопления груженых самосвалов перед фронтом отсыпки, а снижение потока можно обеспечить временными остановками процесса подачи грунта после отсыпки очередной ленты.
Наряду с плотностью замеряют и водопроницаемость и строят график Kф = f (iн ), аналогично рис. 9.2.2, по которому находят оптимум iф.опт по водопроницаемости. На опытных участках устанавливают пьезометры для непрерывного измерения хода уровня грунтовых вод. Периодически берут пробы на влажность и зерновой состав комьев грунта перед отсыпкой в воду, замеряют уклон откоса фронта отсыпки под водой. Фиксируют тщательно во времени и в пространстве все показатели и параметры технологии отсыпки, включая способ, место и время укладки грунта и взятия проб, и, в особенности, изменения в поведении отсыпанного материала и в технологии отсыпки (замена машин, перерывы в работе и т. п.).
Одновременно устанавливают динамку изменения плотности отсыпанного грунта во времени, отбирая образцы через 1 час, 1 сутки, 10 суток, 1 месяц, 6 месяцев после отсыпки.
Для оценки влияния степени замачивания w можно использовать одну карту с минимальным начальным заполнением водой, например, при w = 0.25. По мере отсыпки грунта уровень воды будет повышаться, плавно увеличивая степень замачивания. И лишь в конце засыпки карты потребуется сброс излишней воды в прудке. При этом замеряемый уровень воды в прудке привязывается к положению фронта отсыпки.
Для упрощения технологии рекомендуется одну из опытных карт толщиной 0,5 м отсыпать насухо, а затем залить ее водой с замером ее расхода. С этой карты и можно начать опытные работы. При удовлетворительных результатах испытаний и эта технология может быть рассмотрена при окончательном выборе технического решения.
Разумеется, для получения надежных результатов может потребоваться опытная отсыпка нескольких карт.
Уравнение баланса воды в прудке в суммарном виде или в дифференциальной форме где V1 – объем воды, вытесненный отсыпаемым грунтом, V2 – то же, компенсированный подъемом уровня воды в прудке, V3 – то же, потерянный за счет фильтрации в основании и через дамбочки обвалования, l – ширина прудка, m – монолитность грунта насыпи (равная единице минус пористость), x – координата фронта отсыпки, п – площадь зеркала прудка, hw – глубина воды в прудке, T – время от начала заполнения карты грунтом, q – удельные фильтрационные потери воды на единицу площади зеркала прудка (скорость опускания уровня воды).
где 0 – начальная площадь зеркала прудка.
С учетом (2) преобразуем (1а) к виду и после интегрирования с учетом (9.2.1) и (9.2.6а) получим где hw.0 – начальная глубина воды в прудке.
Удельные потери на фильтрацию где Kос – коэффициент фильтрации грунта основания, Hос – начальный напор в основании, lос – средняя длина пути фильтрации в основании прудка.
9.4.1. Условия и формы размокания комьев.
Все факторы, влияющие на процессы намокания и разрушения комьев, перечислить невозможно.
Основными из них являются следующие факторы неоднородности, неравномерности и разнообразия:
а) истории (остаточные напряжения, начальная влажность и др.), б) формы (некруглость комьев, разнозернистость и пр.), в) содержания (различия в химическом составе, в пористости и др.), г) монолитности (трещиноватость), д) замачивания (несимметричность, растворение и пр.), е) напряжений (удары при падении, скатывании, внешняя нагрузка и др.), ж) опирания (локальные, нерегулярные и др.), и) разрушения (местный откол и пр.), к) набухания (расклинивающий эффект и др.), л) внешнего давления воды (вакуумирующий эффект при дефиците влаги и др.).
И чтобы правильно прогнозировать процессы размокания, необходимо в расчетах учитывать (и с наибольшей точностью) все вышеперечисленные факторы. Отметим, что близкими к рассматриваемому являются процессы набухания и потери фильтрационной прочности грунтов, а равно и их консолидации и др., а также пропитки, вакуумирования и сушки материалов (противоположен намоканию). В общем, задача, как и везде, превращается в комплексную.
При замачивании отдельных комьев грунта без внешней нагрузки в лабораторных условиях можно выделить следующие формы размокания:
I – последовательное отделение от поверхности комка и падение отдельных частиц вплоть до полного его рассыпания;
II – раскалывание кома на несколько агрегатов, с возможностью вторичного (и высших степеней) дробления, до достижения ими устойчивой крупности;
III – набухание комьев до текучего состояния, размягчение и расплывание (без дробления) – характерно для жирных глин дочетвертичных отложений, например, кембрийских (по Трункову Г.Т.);
IV – практическое сохранение формы комьев с возможным слабым размягчением приповерхностного слоя.
В главном эти формы определяются родом грунта и его начальной влажностью и наблюдаются при переходе от супесей к глинам и с возрастанием влажности. В конечном счете форма размокания определяется условиями взаимодействия грунта с водой и физикомеханическими явлениями, протекающими на микроуровне на контактах между частицами.
Преобладание сил отталкивания частиц друг от друга приводит к форме I, а сил притяжения между ними – к форме II. На эти силы накладывается влияние расклинивающего эффекта тонких водных слоев, т. е. явления набухания грунта. Все эти явления зависят от расстояний между частицами и, в свою очередь, сами влияют на эти расстояния, что приводит к весьма сложным законам изменения прочности и водопроницаемости в различных зонах комьев грунта и, соответственно, всего грунтового массива.
Рис. 9.4.1. Стадии трансформации структуры грунта после отсыпки комьев в воду:
П – макропоры между «сливающимися» грунтовыми комьями;
С – сухая часть комьев грунта с замкнутым газовым пузырьком;
М – монолитная (мокрая, намоченная, пропитанная водой) часть комьев грунта.
На практике после отсыпки в воду грунт в общем случае проходит несколько стадий (рис. 9.4.1) трансформации структуры:
а) начальная комковатая макропористая структура, б) намокание с поверхности с образованием пластичной оболочки, в) дробление комьев и заполнение макропор размокшим грунтом под действием нагрузки (при наличии сухих остаточных ядер внутри комьев с защемленными газовыми г) рассасывание и всплывание газовых пузырьков, схлопывание макропор, д) выравнивание влажности и омоноличивание грунта.
В результате получаем структуру грунта, отличающуюся повышенной плотностью и малой водопроницаемостью, с высоким уровнем фильтрационной прочности сооружения, проверенной уже непосредственно в период его создания (иначе – рождения) на действие напора воды в прудке.*) Таким образом данная технология отсыпки грунта в воду обладает редким свойством автоконтроля (непрерывной проверки в процессе строительства) фильтрационной прочности (и, соответственно, надежности) строящихся плотин с одновременным автозалечиванием (кольматацией) слабых мест. И в этом главное преимущество данной технологии, подтвержденное многочисленными примерами практики гидротехнического строительства.
9.4.2. К оценке разрушения комьев в идеализированных условиях.
Предположим, что комья разрушаются только под действием нарастания давления газа во внутреннем замкнутом пространстве при замачивании грунта. При этом избыточное давление газа в сухой части комьев (перед фронтом намокания) по сравнению с внешним давлением воды будет И наоборот: плотины, возведенные сухим способом (с динамическим уплотнением грунта), более устойчивы к сейсмическим нагрузкам.
где w – степень возрастания во времени давления воды за фронтом намокания pw.0 – давление воды на поверхности комьев, pк – капиллярное давление, pг – давление в газе перед фронтом намокания сверх атмосферного.
При pг и = Поскольку газопроницаемость выше водопроницаемости, то для давления газа в центре комьев можно записать Разрушение комьев грунта произойдет при наступлении условия где pк р – критическое (разрушающее) избыточное давление газа внутри комьев.
Вероятно, возможны следующие формы разрушения отдельных грунтовых комьев (рис. 9.4.2) при замачивании в идеализированных условиях без внешней нагрузки:*) а) локальное выталкивание (отслаивание) части мокрой оболочки (меньше половины), возможно, с отрывом примыкающей части сухого ядра;
б) полное разрушение или разрыв комьев примерно пополам (по диаметральной плоскости) при равномерном внешнем замачивании;
в) раскалывание комьев на части при внутреннем замачивании, т. е. при поступлении воды через трещины внутри комьев… На практике нагрузка от вышележащих слоев грунта вызывает дробление и смятие комьев и резко усложняет картину размокания.
Рис. 9.4.2. Формы возможного разрушения комьев грунта при замачивании:
Уравнение предельного равновесия для второй формы разрушения запишем в виде где Ac и Aм – площади сечения сухой и мокрой частей комьев, Rp.c и Rp.м – пределы прочности сухой и мокрой части грунта на разрыв, Ec и Eм – см. п. 4.3, модули деформации этих частей при растяжении.
где D – внешний диаметр комьев, d – диаметр сухой части (ядра) комьев, оцениваемый специальными расчетами.
При наличии в комьях идущих с поверхности трещин (рис. 9.4.2в) вода через них быстро всасывается внутрь комьев, и поток воды, устремляющийся в трещину подобно клину, раскалывает комья на части, что и может рассматриваться как четвертая форма разрушения, далее переходящая в третью для отдельных частей. В заключение отметим, что реальная картина поведения грунта бесконечно сложнее идеализированных представлений.
Существо данной технологии заключается в том, что в предварительно возведенный в насыпи канал (траншею) заливают противофильтрационный раствор, a затем отсыпают грунт с двух сторон с отжатием части раствора вверх до формирования противофильтрационного элемента требуемых размеров.
На рис. 9.5.1 изображены схемы отливки экрана и ядра. В переходные зоны плотины производят отсыпку дамбочек 1 обвалования, образуя траншею 2. Затем последнюю заливают противофильтрационным раствором, например глинистым, образуя прудок 3, после чего Предложен совместно с М.В. Комаринским и В.П. Клинцовым.
производят отсыпку грунтов слоями (призмами) 4, отжимая раствор к откосам прудка.
Лишний раствор вытесняют вверх на вышележащий горизонт отсыпки и добавляют раствор в прудок. Раствор применяют плотностью 1,15…1,70 г/см3. Состав 1 м3 раствора примерно следующий: 1) при плотности 1,15 г/см3: глины в сухом состоянии необходимо 270 кг, воды 880 л; 2) при плотности 1,4 г/см3 соответственно 720 кг и 680 л; 3) при плотности 1,70 г/см3 – 1110 кг и 590 л.
Раствор не смешивается с отсыпаемым грунтом, а отдает ему воду и опрессовывается, в результате чего образуется противофильтрационный слой на основе глинистых частиц раствора. Материал, приготовленный а виде раствора, подается к месту укладки в прудок насосами по трубопроводу от растворного узла.
Растворы с плотностью ниже 1,15 г/см3 требуют специальной проверки фильтрационной устойчивости. Растворы с плотностью выше 1,70 г/см3 требуют другой технологии укладки (способом сухой отсыпки).
Способ заливки противофильтационных растворов при отсыпке грунтов обеспечивает следующие преимущества: повышение водонепроницаемости экрана и его пластичности; сокращение объема добычи и укладки более дорогостоящего материала; упрощение технологии ведения работ, сокращение сроков их выполнения; а в результате – и ускорение роста плотины по высоте. Меняя по высоте плотность раствора, можно добиться оптимальной толщины экрана: от нескольких сантиметров и выше, что технологически невозможно выполнить известными механизированными способами – послойной отсыпкой насухо или отсыпкой в воду. Отсюда вывод: использование старых способов может обеспечить получение лишь обычного эффекта, новый же технико-экономический эффект может быть достигнут применением только новых (нестандартных) методов, материалов, орудий, технологий… Рис. 9.5.1. Заливные противофильтрационные элементы плотины
ЛИТЕРАТУРА
1. Альхименко А.И. Охрана природы при освоении ресурсов Мирового океана. – Л.: Судостроение, 1982. – 206 с.2. Атаев С.С. и др. Технология, механизация и автоматизация строительства. – М.: Высшая школа, 1990. – 592 с.
3. Белоликов В.Т., Телешев В.И., Леонов В.А., Воробьев В.Б. Организация и планирование строительства гидроузлов. – Л.: ЛПИ, 1990. – 36с; То же: Приложения. – 40с.
4. Богородский В.А. и др. Разрушение льда. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 234 с.
5. Булатов Г.Я. Технология возведения грунтовых плотин: Учебное пособие. –СПб.:
СПбГТУ, 1994. – 92 с.
6. Булатов Г.Я. Методические указания по туннельным работам. – Л.: ЛПИ, 1970. – 58 с.
7. Булатов Г.Я. К определению времени погружения свай // ЛПИ. Материалы к науч.-техн.
конф. Гидротехн. фак-та. 1970.
8. Булатов Г.Я. Об оптимальных параметрах гидромониторной разработки грунтов // Труды ЛПИ, 1978, №361. С. 88–90.
9. Бугров А.К., Синяков Л.Н., Гитин Д.И., Пирогов И.А. Исследование взаимодействия ледостойкой платформы с грунтами морского дна в районе Штокмановского ГКМ // Освоение шельфа арктических морей России. Тезисы докладов. II-я международная конференция – 1995. с. 222-223.
10. Васильев Ю.С., Козлов В.Н. Интеллектуальные технологии и нормативная база высшего профессионального образования России / VII Международная научно-методическая конференция «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки», 27 – 28 января 2000. – СПб.: СПбГТУ, 2000.
11. Ватин Н.И., Колосова Н.Б. Дополнительное инвестирование высших образовательных учреждений в современных условиях // Технология, строительство и эксплуатация инженерных систем. Матер-лы междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во СПбОДЗПП, 12. Галузин В.М., Комаринский М.В., Телешев В.И. Выбор машин и оборудования для производства бетонных работ. – СПбГТУ, 1995. – 78 с.
13. Галузин В.М., Пехтин В.А., Телешев В.И. Возведение сооружений способом «стена в грунте»: Учебное пособие. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1997. – 36 с.
«