авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

ОАО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ им. Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА»

ИЗВЕСТИЯ ВНИИГ

имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

Издание основано

в 1931 году

Том 235

ОСНОВАНИЯ И ГРУНТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Санкт-Петербург

1999

УДК 624.15:626/627

Редакционно-издательский совет: Т. С. Артюхина (отв. секретарь), Е. Н. Беллендир,

А. Г. Василевский (зам. председателя), А. Б. Векслер, Д. А. Ивашинцов (председатель), А. Д. Кауфман, В. И. Климович, А. П. Пак, Д. Д. Сапегин, А. А. Храпков.

Рассматривается широкий круг вопросов, связанных с исследованиями свойств грунтов, оценкой состояния их конструктивно-технологических особенностей грунтовых сооружений. Освещаются методы определения устойчивости пород к температурно-влажностному воздействию, характеристик механических свойств крупнообломочных грунтов и влияние температуры на водопроницаемость глинистых разностей. Приводится описание экспериментального стенда для динамических испытаний прочности и деформируемости песчано-глинистых грунтов. Ставятся и решаются задачи оценки устойчивости и сжимаемости оснований и грунтовых сооружений, в том числе золошлакоотвалов. Излагаются методические основы и технические приемы защиты геологической среды от загрязнения в области влияния гидротехнических сооружений. Обсуждаются проблемы работы противофильт рационных элементов.

Сборник предназначен для специалистов в области инженерной геологии, грунтоведения, механики грунтов, гидротехников, а также для студентов, аспирантов и преподавателей соответствующих специальностей.

A wide array of problems concerned with investigations of soil properties, estimates of speсific design and technological features of embankment structures or their state is discussed. Methods are suggested for determining soil resistance to the temperature and moisture effects, mechanical characteristics of coarsely fragmental soils, water saturation of different clay soils as dependent on their temperatures. The stands designed for dynamic testing strength and deformability of sand and clay soils are described. Problems related to evaluating stability and compressibility of foundations and embankments including ash disposal ones are posed and are being solved. Methodology and technology of the geo medium protection against adverse impacts of the construction of hydraulic structures are outlined. The problems of the behaviour of watertight elements in earth and rockfill dams are considered.

The volume is designed for the specialists working in the field of engineering geology, soil mechanics, hydraulic engineering as well as for students, post-graduates and higher educational institution teachers of appropriate professions.

ISBN 5-85529-049- © ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», ПАМЯТИ БОРИСА ФРИДРИХОВИЧА РЕЛЬТОВА (К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ) Б.Ф. Рельтов родился 4 мая 1898 г. в Волынской губернии. С 1919 по 1921 гг. он воевал на Юго-Запад ном фронте, а затем был откоманди рован для получения высшего образо вания. После окончания Ленинградского политехнического института в 1927 г.

Б.Ф. Рельтов поступил в Ленинградский научно-мелиорационный институт (с 1946 г. - ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева), где проработал 63 года.

Круг научных интересов Бориса Фридриховича всегда был очень широк, он был полон идей и энтузиазма.

В начале своей деятельности (1928-1931 гг.) Б.Ф. Рельтов под руко водством академика Н.Н. Павловского выполнял теоретические и экспери ментальные исследования в области гидравлики гидротехнических соору жений Свирьстроя, Беломоро-Балтийского канала, Нивастроя и других строек ГОЭЛРО. По результатам этих работ в 1931 г. он защитил кандидатскую диссертацию. Затем он организовал лабораторию ЭГДА, существенно усовершенствовал метод электро-гидродинамических аналогий и разработал установку для реализации метода на трехмерных моделях.

Начиная с 1936 г., когда Борис Фридрихович был назначен руко водителем лаборатории гидрофизики, он посвятил себя изучению свойств грунтов и процессов, проходящих в них. Так, им были установлены законо мерности протекания электроосмоса в грунтах, что позволило разработать и внедрить способ борьбы с прилипанием грунтов к поверхностям строи тельных механизмов.

По возвращении из эвакуации в 1946 г. Б.Ф. Рельтов возглавил лабораторию физико-химических исследований и анализа грунтов. Под его руководством и при непосредственном участии проводилось углубленное изучение физико-химических и структурно-механических свойств грунтов.

Б.Ф. Рельтов разработал ряд новых методов исследований, в частности модуля сдвига методом затухающих крутильных колебаний, и установил основные закономерности осмотической миграции поровой влаги в неравномернозасоленных грунтах, нарушения структурных связей и их самопроизвольного восстановления при динамических воздействиях, релаксаций напряжений, реологического поведения грунтов.

По инициативе Бориса Фридриховича и под его руководством в 1956 1970 гг. впервые в СССР проводились исследования полимерных пленок как материала для противофильтрационных элементов грунтовых плотин.

Оригинальная конструкция полимерной пленочной диафрагмы внедрена в 1967 г. на строительстве Атбашинской плотины (Киргизия).

В последующий период (1970-1990 гг.) деятельность Б.Ф. Рельтова была направлена на совершенствование технологии возведения ядер и экранов различных типов грунтовых плотин на основе современных представлений о структурно-механических и физико-механических свойствах связных грунтов.

Результаты научных исследований Б.Ф. Рельтова использовались при проектировании и строительстве более чем двадцати крупных гидротех нических объектов: Верхне-Ханбуланчайской, Сарсангской плотин (Азербайджан), плотины Краснопавловского водохранилища, плотины и дамбы Днестровских ГЭС-ГАЭС (Украина), Колымской, Усть-Среднеканской и Тельмамской ГЭС (Россия) и др. Ему принадлежит свыше 100 научных работ, получивших признание как в нашей стране, так и за рубежом. Среди его учеников 3 доктора и 6 кандидатов наук. Б.Ф. Рельтов состоял членом НАМГИФ (Национальная ассоциация механики грунтов и фундамен тостроения), принимал активное участие в организации и проведении Всесоюзных совещаний по закреплению и уплотнению грунтов.

За успехи в развитии энергетики и гидротехнической науки Б.Ф. Рель тов был награжден орденом Трудового Красного Знамени и 9-ю медалями.

Борис Фридрихович являлся лауреатом премии Совета Министров СССР в области архитектуры и строительства, награжден знаками “Почетный энергетик СССР”, “Отличник энергетики и электрификации СССР”, “Изобретатель СССР”.

Крупный специалист в области гидроэнергетики и гидротехнического строительства Б.Ф. Рельтов внес большой вклад в организацию, проведение и внедрение результатов научных исследований в развитие энергетики нашей страны.

УДК 624.131. Доктор геол.- мин.наук О. К.Воронков ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СКАЛЬНЫХ И ПОЛУСКАЛЬНЫХ ПОРОД К ФАКТОРАМ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 1.Факторы, обуславливающие дезинтеграцию горных пород при физическом выветривании Основными причинами дезинтеграции скальных и полускальных гор ных пород при физическом выветривании являются:

1. Напряжения кристаллизации л льда в трещинах и порах горных пород. В первом приближении величина л растет линейно с понижением температуры tо мерзлой льдонасыщенной породы. Например, согласно Б.Хал лету [1 ], в трещине л 1,14 | tо | МПа, где tо - в оС.

Более подробно сведения об оценках значений л в различных средах приведены в работах [1-10].

2.Расклинивающее давление пленочной воды в при циклическом ув лажнении-высушивании. Расклинивающий эффект имеет место в случае использования полярных жидкостей (вода, формальдегид) и отсутствует при использовании неполярных жидкостей (четыреххлористый углерод и др.).

Величина в обратно пропорциональна квадрату толщины пленки. Наибо лее вероятные максимальные значения в достигают первых единиц МПа, что соответствует толщине пленки 5х10-3 мкм (или 10-20 слоев молекул воды) [6].

3. Объемно-градиентные напряжения t при термическом выветри вании связаны с максимальным различием коэффициентов температурной деформации (= макс - мин) минералов, слагающих породу:

t = А· tо, (1) где tо - разность температуры, 0С;

А - коэффициент, Па· 0С.

В природных условиях величина t в большинстве случаев составляет доли МПа.

Поскольку процессы морозного выветривания (МРВ), выветривания увлажнения-высушивания (ВУВ) и термического выветривания (ТВ) могут развиваться совместно, то условие локальной дезинтеграции внутри поро ды, микроразрушений, роста трещин и т.д. имеет следующий вид [6] л + в + t р(лок), (2) где р(лок) - локальная прочность породы на разрыв;

она может существенно отличаться от прочности образца породы на разрыв р, являющейся интег ральной величиной.

Напряжения л, в, t развиваются во времени асинхронно. В част ности, максимальные значения в - либо начальной стадии водонасыщения, например, в глинистых песчаниках через 4-5 часов после начала водонасы щения, либо на стадии обезвоживания, например, в глинистых сланцах. Мак симальные значения t могут отвечать любой стадии и любому состоянию породы (сухому, водонасыщенному, мерзлому и др.) при наличии значитель ных градиентов температуры. Поэтому сумма напряжений в левой части неравенства (2) всегда должна рассматриваться применительно к какому либо моменту времени i, т.е. нельзя формально суммировать максималь ные величины л, в, t.

Однако и отдельно взятые максимальные величины л и в, указан ные выше, зачастую соизмеримы или даже превышают величину р - проч ность породы на разрыв. Несмотря на это, многие из таких относительно низкопрочных пород являются морозостойкими и слаборазмягчаемыми, вы держивая без заметных повреждений достаточно большое число циклов фи зического выветривания.

Например, образцы туфа ереванского типа с р= 2,4 МПа ( в сухом состоянии ) и р = 1,2 МПа (в водонасыщенном состоянии) после 120 циклов замораживания и оттаивания (ЦЗО) и циклов увлажнения и высушивания (ЦУВ) лишь изменили свои характеристики деформируемости без наруше ния целостности [11]. В чем же причина?

Как уже говорилось выше, величина р характеризует интегральную прочность образца породы на разрыв, а л и в - локальные растягиваю щие напряжения, связанные только с наличием влаги в сообщающемся тре щинно-поровом пространстве, т. е. с открытой пористостью nоткр, ее абсо лютной величиной и структурой трещинно-порового пространства.

Пусть гс - среднее гидростатическое давление в трещинно-поровом пространстве, создающее усилие, необходимое для разрушения материала (образца) площадью Sмат (в выбранном сечении). Тогда, приравнивая раз рушающее усилие сопротивляемости породы разрыву, получим:

гс Sпор = р Sмат, (3) где Sпор - суммарная площадь пор в сечении Sмат.

Для сравнительно простых случаев строения порового пространства (равномерно распределенные поры шаровой, кубической формы и др.) мож но показать, что Sпор = 3 nоткр, (4) Sмат где - коэффициент формы пор;

( 1);

n откр - открытая (сообщающаяся) пористость (в долях единицы).

Подставляя ( 4 ) в ( 3 ), получим р гс =. (5) 3 nоткр Уравнение (5) совпадает с формулой С. А. Семенцова [12] при =1. В зависимости от формы трещинно-порового пространства численные значе ния изменяются от 1 до nоткр ;

последняя величина отвечает случаю, когда в образце имеется сквозная трещина (микротрещина), плоскость кото рой перпендикулярна разрывающему усилию. В этом случае гс = р.

Как следует из таблицы, в малопористых скальных породах величина гс в 8,5 - 22 раза превышает значение р. В пористых средах (слабый извес тняк, кирпич) величина гс в 3,5 - 4 раза больше, чем р. Именно этим объяс няется тот факт, что целый ряд пород, относящихся к полускальным (песча ники, известняки и др.) оказывается достаточно морозостойким. Следует также отметить, что в этих породах открытая пористость представлена в основном межгранулярной пористостью (доля трещинной пористости мала) и коэффициент принимает минимальные значения, близкие к 1.

Величина гс в поровом пространстве, при котором произойдет разрушение материала ( по С.А.Семенцову ) сж, р, гс, nоткр, Материал МПа МПа доли МПа единицы Гранит 200 7,0 0,01 Известняк прочный 80 4,0 0,04 Известняк слабый 20 1,4 0,12 5, Кирпич глиняный 10 0,8 0,15 2, обыкновенный 2. Рекомендации по оценке устойчивости горных пород к факторам физического выветривания Надежную оценку влияния физического выветривания на состояние и свойства горных пород можно дать лишь на основе определения комплекса физических, физико-механических и фильтрационных характеристик с ус тановлением закономерностей их изменения во времени.

Вместе с тем, до вольно часто возникает необходимость предварительного заключения о при годности (по морозостойкости, размоканию, размягчению, термостойкости и т.д.) скальных и полускальных пород из полезных выемок и карьеров в качестве материала, укладываемого в различные зоны грунтовых плотин. В связи с этим авторы статьи [13] рекомендовали использовать классифика цию горных пород по степени устойчивости к факторам физического вывет ривания, а также диаграммы “потери массы” образцов пород в зависимости от числа ЦЗО и ЦУВ. В дополнение к этим материалам, для целей экспресс оценки устойчивости горных пород к физическому (и, особенно, морозному) выветриванию рекомендуется применять ранжированные ряды горных по род по следующим показателям (рис.1 - 4):

прочность породы на разрыв ( растяжение ) р;

открытая ( сообщающаяся ) пористость nоткр;

гидростатическое давление в трещинно-поровом пространстве гс, вы зывающее разрыв образца породы;

коэффициент тепловой активности b.

b= c (Дж/м2 с1/2К), где плотность;

с - удельная теплоемкость;

коэффициент теплопро водности.

Ранжированные ряды составлены путем обобщения данных экспери ментальных исследований свойств конкретных пород, указанных на рис.

1 - 4. В случае необходимости оценить морозостойкость породы, отсутству ющей на этих рисунках, следует сначала определить ее характеристики (nоткр, р, гс, b), а затем использовать рис.1- 4.

р(вод), МПа 16, Габбро, 12, диорит, Базальт, 11, диабаз порфи Кварце (докем- рит вый 8, брий) порфир, Квар фель- цит, 5, зит 5 мрамор, Габбро порфир гнейс, 3, (палео кристал. зой и Песча сланец моло- ник и 1, (II же), извест- 0, сланц.) Туф гранит, няк сиенит, Извест плотный 0, гнейс няк не ( сланц.) 0, уплотн. Кирпич глиня- Мергель, ный глинистый сланец, мел Морозостойкие породы Относительно Породы и материалы морозостой- в большинстве кие неморозостойкие Рис.1. Ранжированный ряд горных пород по значению прочности на разрыв р (вод) невыветрелых образцов в водонасыщенном состянии.

nоткр, Граниты, Аргиллиты, гранодио % мергели, риты, габ мел, туфы, бро (палео- Известняки, туфобрек Аляскиты, зой и мо- Тешениты песчаники, чии, габбро, ложе), чар- алевролиты (третич Андезиты, алевролиты, диориты, нокиты, пе- ные), неуплот., базальты, кирпич диабазы ридотиты порфиры, выветрелые андезито- глиняный (докемб- фельзитпор (силур-де- изверж. и базальты, метаморф. рий), вон), дуни- фиры, Субинтру порфириты, перидотиты ты, оли ви- известняки породы зивные глинистые ниты, сие (протеро- плотные гранито сланцы, 5 зой), мра- нит, крис- мраморизо- 5- зиды песчаники мор, квар- талл. Слан- ванные и плотные циты, горн- цы, гнейсы, песчанис- 3- блендиты, амфиболи- тые 2- пироксе- ты, жадеи ниты ты, экло- 1- гиты 0, 0,5-1, Морозостойкие Морозостойкие и относительно Породы и материалы породы морозостойкие породы (кроме в большинстве глинистых сланцев) неморозостойкие Рис. 2. Ранжированный ряд горных пород по значению открытой (сообщающейся) пористости nоткр невыветрелых образцов.

гс, МПа Габбро, диори Кварци 200 ты, диабазы ты, Песча- Извест (докем- мрамор Кварц, 150 ник и няк не порфи брий) извест- уплотн., Базальт, ры, няк глинис пофи- Габбро, фельзит плотные тый Туф, рит, порфи- сланец (палео кирпич гранит зой и ры, 40 глиня- Мер моложе), крист.

ный гель, 5, 100 сиенит, сланцы мел гнейс (II слан- 2, цеват.) (сло 0, ист.) Морозостойкие Относительно Породы и материалы породы морозостойкие в большинстве неморозостойкие Рис. 3. Ранжированный ряд горных пород по параметру гс.

b, Дж/(м2с1/2К) Квар цит Дио рит, грано Пери- дио рит, дотит Пор- амфи фи- болит Гра- рит, нит, 2000 мра- Диабаз, ба- Извес мор габбро, зальт, Пес тняк андезит, чаник Глин. До гнейс пегматит, сла ломит Мел известняк нец Гипс (пли ты) Морозостойкие породы Относительно Породы, в большинстве морозостойкие неморозостойкие Рис. 4. Ранжированный ряд горных пород по коэффициенту тепловой активности (тепловой инерции) b.

Таким образом, на начальном этапе, зная только вид породы (гранит, песчаник и т.д.), можно предварительно судить об ее устойчивости к факто рам физического выветривания. На следующем этапе, после определения указанных выше характеристик, выводы уточняются.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Hallet B. The breakdown of rock due to freezing: a theoretical model // Proc. 4 th Int.

Conf.Permafrost, Washington. - 1983. - P. 433 - 438.

2. Беньков В. Н., Морозов В. Н. К учету температурно-временных эффектов мороз ного разрушения скальных пород // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева / Сборник научных трудов. - 1981. - Т. 149. - С. 92-98.

3. Бриджмен П. В. Новейшие работы в области высоких давлений. - М.: ИЛ. - 1948.

4. Величко В. П. Прогноз давления пресноводного и морского льда, образующегося в полости железобетонных оболочек // Сборник научных трудов ВНИИ Транспортного строительства. - 1974. - Вып.78. - С. 48-56.

5. Гречищев С. Е., Чистотинов Л. В., Шур Ю. Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. - М.: Недра, 1980.

6. Ершов Э. Д. Криолитогенез. - М.: Недра, 1982.

7. Пехович А. И., Разговорова Е. Л. Льдообразование под давлением в природе / Инж. мерзлотоведение: Материалы к Ш междунар. конф. - Новосибирск. - 1979. - С. 145-149.

8. Пехович А. И. Основы гидроледотермики. - Л.: Энергоиздат, 1983.

9. Рекомендации по изучению влияния морозного выветривания на состояние и ме ханические свойства скальных пород: П 39-88 / ВНИИГ. - Л.: 1989.

10.Сумгин М. И., Демчинский Б. Область вечной мерзлоты. - М.- Л.: Главсевморпуть, 1940.

11. Кочарян Г. В. Влияние структуры на прочностные и деформационные характеристики пирокластических материалов Армении: Автореф. дис. доктора техн. наук.

- Минск, 1974 ( Белорусский политехнический институт).

12. Семенцов С. А. О характере разрушения каменных материалов при действии мороза // В сборнике «Исследования. Каменные конструкции». - М.: изд-во литературы по строительству и архитектуре. - 1955. - С. 224-238.

13. Воронков О. К., Ушакова Л. Ф. Закономерности дезинтеграции скальных и крупнообломочных пород под воздействием физического выветривания // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева / Сборник научных трудов. - 1996. - Т. - 231. - С. 25 - 45.

УДК 624.131. Доктор геол.- мин.наук О.К.Воронков, инж. Л.Ф.Ушакова КЛИМАТОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Грунты оснований гидротехнических сооружений и материалы грун товых плотин в период эксплуатации подвержены длительным природным и техногенным температурно-влажностным воздействиям. Это приводит к дезинтеграции пород, снижению их прочности, ухудшению других характе ристик, а в ряде случаев - к недопустимым деформациям и снижению уров ня надежности системы плотина-основание.

Индивидуальность конкретного объекта исследований обуславливает трудности создания математических моделей процесса дезинтеграции грун тов при температурно-влажностных воздействиях и преимущественно эмпи рическую направленность изучения этого процесса, а также его влияния на физико-механические свойства грунтов.

В районах умеренного (среднегодовая температура воздуха tср= +4...+12о С), холодного (tср = -4о...+4оС) и полярного (tср= -12о...-4оС) климатов природные и техногенные температурно-влажностные воздействия на грунты могут быть объединены достаточно емким понятием физического выветривания, включающего следующие компоненты:

а) морозное (криогенное) выветривание (МРВ). В зависимости от типа породы его долевой вклад в дезинтеграцию пород Северной строительно климатической зоны ( ССКЗ ) составляет от 40 до 80% при совместном воздействии факторов физического выветривания [1]. МРВ обусловлено напряжениями кристаллизации воды л в трещинах и порах породы ;

б) выветривание увлажнения - высушивания (ВУВ) грунтов. Его долевой вклад в дезинтеграцию оценивается в пределах от 8 до 40%. ВУВ связано с расклинивающими напряжениями в водных пленок;

в) температурное (термическое) выветривание (ТВ). Его долевой вклад в дезинтеграцию пород в природных условиях большинства регионов России составляет 4-6%, в районах с малым количеством осадков и для сухих пород роль ТВ может оказаться весомее. ТВ связано с температурными напря жениями т, пропорциональными градиенту температуры.

Напряжения л,т, в развиваются во времени асинхронно. Поэтому суммирование максимальных значений этих напряжений неправомерно (можно только говорить о сумме напряжений в каждый момент времени i ).

Если при i сумма указанных напряжений превысит величину локальной прочности породы на разрыв, то возможна локальная дезинтеграция породы, микроразрушения и рост трещин.

В природных условиях МРВ и ТВ, как правило, связаны с суточными, сезонными, годовыми и многолетними колебаниями температуры. ВУВ обусловлено метеорологическими, гидрогеологическими, а также техно генными причинами, в частности: естественными колебаниями уровня подземных вод и уровня воды в водоемах;

осадками в виде дождя;

весенним снеготаянием и последующей потерей грунтами гравитационной воды;

техногенными колебаниями уровня воды, например, при работе ГЭС и ГАЭС.

Имеющийся на сегодня опыт лабораторного изучения влияния тем пературно-влажностных воздействий на грунтовые материалы свиде тельствует об одностороннем характере большинства исследований, выра жающемся в том, что для районов холодного и полярного климата мо делируется лишь процесс морозного выветривания [2 - 5 и др.], для районов умеренного климата - выветривание увлажнения - высушивания [6, 7], а для районов тропического и субтропического климата - процесс гидрохимичес кого выветривания [8]. Однако, из результатов анализа климатических дан ных следует, что в районах холодного и полярного климата также значимо влияние ТВ и ВУВ, а в районах умеренного климата роль МРВ в де зинтеграции грунтов не уступает роли ВУВ (в процессе деструкции скальных грунтов роль МРВ даже преобладает). Поэтому на территории России необходимо учитывать влияние всех трех компонентов ( МРВ, ВУВ, ТВ ).

Лабораторное изучение процесса физического выветривания грунтов должно выполняться на образцах горных пород, имеющих естественную структуру, состав и свойства. Это обеспечивает значения констант подобия натуры и модели по большинству физических, тепловых и физико-ме ханических характеристик, равные 1.

Моделирование процесса физического выветривания должно выпол няться в идентичных естественным (или близким к ним) термовлажностным условиям. Например, при моделировании МРВ и ТВ должно соблюдаться примерное равенство температур (средних значений амплитуд изменения и градиентов температуры) в натурных и лабораторных условиях. Это требование реализуется использованием медленного режима замораживания:

образцы выдерживают в морозильной камере в течение двух часов при температуре минус 3 о С, затем в течение двух-трех часов температура пос тепенно снижается до заданного значения tomin и поддерживается на этом уровне в течение 5-7 часов.

Рекомендуемый методический подход к моделированию физического выветривания предполагает параллельное выполнение циклических опытов на МРВ, ВУВ и ТВ. Для этого целесообразно использовать три прибли зительно идентичные группы образцов, что, во-первых, позволяет оценить долевой вклад каждого фактора выветривания в процесс дезинтеграции пород, а, во-вторых, приблизительно втрое ускоряет весь комплекс иссле дований (по сравнению со случаем использования лишь одной группы образцов). Отметим, что достаточно объективный контроль за идентичнос тью групп образцов реализуется с помощью ультразвукового просвечива ния.

Методика включает в себя следующие этапы:

I этап - анализ (применительно к конкретному объекту) климатических, гидрогеологических, гидрологических и техногенных факторов, обус лавливающих температурно-влажностные воздействия на изучаемые грунты основания и грунтовые материалы инженерных сооружений (плотин, дамб, насыпей и др.) с целью определения среднегодовых значений числа циклов замораживания-оттаивания ( ЦЗО ), циклов увлажнения-высушивания (ЦУВ) и среднегодового числа дней с большой амплитудой колебания температуры воздуха в течение суток(ЦТВ).

Необходимое число N (ЦЗО), подлежащее реализации в лабораторных исследованиях, назначается с учетом:

схемы мелкомасштабного районирования территории России по глав нейшему фактору МРВ - среднегодовому числу Nо циклов замораживания оттаивания на дневной поверхности (рис. 1 );

схемы крупномасштабного районирования конкретно изучаемого участка по числу Nо;

заданной продолжительности прогноза Т (лет) (для постоянных ГТС полный ресурс работоспособности оценивается сроком приблизительно 60-100 лет);

понижающего коэффициента за период наличия снегового покрова (в среднем равного 0,7). Поэтому N 0,7 Nо Т;

затухания процесса МРВ с глубиной от дневной поверхности (при оценках для внутренних зон основания или сооружения).

Необходимое число циклов n ( ЦУВ ), подлежащее реализации в лабораторных исследованиях, назначается с учетом:

схемы мелкомасштабного районирования территории России по среднегодовому числу дней nо со значительным (свыше 5 мм за сутки) количеством осадков в виде дождя рис.2;

данных о среднегодовых естественных ( nест ) и техногенных ( nтех) колебаниях уровня воды в грунтах основания или грунтового сооружения;

заданной продолжительности прогноза Т (лет).

Поэтому n = (no + nест + nтех ) Т.

В частности, при оценке роли ВУВ на состояние грунтов в бортах карьеров можно полагать nест = 0, nтех= 0.

Необходимое число циклов m ( ЦТВ), подлежащее реализации в лабораторных исследованиях, назначается с учетом:

метеоданных о среднегодовом числе дней mо с большой амплитудой колебаний температуры воздуха в течение суток. С известной долей условности принимаем значение амплитуды | to| 10 оС, что означает среднее изменение температуры воздуха более 0,4оС /час при наиболее вероятных градиентах - около 1оС/час рис.3;

данных о возможных техногенных температурных воздействиях с указанной выше амплитудой колебаний температуры;

а ым К ол Киев Москва Ле Че на р й но лю Кама е Ви Волга Обь мо Енисей ре Омск ое И рт ск Амур ыш е ий ор п мКас Алма-Ата Аму-Дарья 400 0 400 800 км Сыр-Дарья 350 0 350 700 1050 км 400 0 400 800 км заданной продолжительности прогноза Т(лет).

Поэтому m = ( mo + mтех ) Т.

П этап - лабораторные испытания указанных выше трех групп образцов грунта соответственно на МРВ, ВУВ, ТВ. При этом осуществляется пе риодический (например, через 0,1N ;

0,1n ;

0,1m ) контроль ряда харак теристик:

массы образцов ( для скальных и полускальных пород ) с оценкой величины “ потери массы” (Мо - Мi)/Мо, где Мо - масса образца, высушенного до постоянного веса, перед испытанием на МРВ, ВУВ, ТВ;

i - число циклов, причем максимальное i равно N - при МРВ, n - при ВУВ, m- при ТВ;

Мi масса образца, высушенного до постоянного веса, после i циклов;

скорости распространения упругих волн в образцах скальных и полу скальных грунтов методом ультразвукового прозвучивания;

гранулометрического состава нескальных грунтов;

прочностных и деформационных характеристик грунтов.

Ш этап - оценка и прогнозирование на заданный срок состояния и характеристик свойств грунтов под влиянием естественных и техногенных температурно-влажностных воздействий, в том числе во внутренних зонах основания и грунтового сооружения. Отдельные аспекты такого прогно зирования рассмотрены в работах [ 1, 4, 5, 6, 7 ].

а) no(инт) 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 n o б) mo mo(инт) 0 20 40 60 80 100 Рис. 4. Связь среднегодовых значений циклов умеренного плюс интенсивного (nо, mо) и интенсивного (nо(инт), mо(инт)) физического выветривания а - выветривание увлажнения-высушивания: 1 - для районов с большим количеством (400 мм и более) осадков теплого периода;

2 - то же с осадками теплого периода менее 400 мм;

б - термическое выветривание;

- среднеинтервальные значения.

, П р и м е ч а н и я.

1. Схема районирования территории России по среднегодовому числу nо (рис.2) в первом приближении характеризует распределение суммарного числа циклов умеренного и интенсивного ВУВ за счет дождевых осадков теплого периода (число дней с дождевыми осадками более 5 мм за сутки). При необходимости определить среднегодовое число циклов интенсивного ВУВ (nо(инт) - среднегодовое число дней с дождевыми осадками свыше 10 мм за сутки) рекомендуется использовать график (рис.4 а ), либо эмпирические формулы:

для районов с большим количеством ( 400 мм и более ) осадков теплого перио да - nо(инт) = 0,55 nо;

для районов с осадками теплого периода менее 400 мм - nо(инт) = 0,4 nо.

2. Для аналогичного перехода от числа циклов mо (рис.3) (умеренного и интенсивного ТВ), характеризующихся градиентом температуры более 1 0 C/ч, к mо(инт) с градиентом температуры более 2 оC/ч следует пользоваться графи ком (рис. 4 б) или формулой:

mo 10ln 80.

= mо(инт) m 1,32 ln o СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Воронков О. К., Ушакова Л. Ф. Закономерности дезинтеграции скальных и крупнообломочных пород под воздействием физического выветривания // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева / Сборник научных трудов. - 1996. - Т. 231.- С. 25-45.

2. Конищев В.Н. Криогенное выветривание // II междунар. конф. по мерзлотоведению.

Докл. и сообщ. - Вып.3, Якутск. - 1973. - C. 38-45.

3. Мазуров Г.П., Тихонова Е.С. Преобразование состава и свойств грунтов при многократном замораживании // Вестник ЛГУ.- N18 / Cер.геол. и географ. - Вып.3. - 1964. С. 35-44.

4. Воронков О. К.,Ушакова Л. Ф. К прогнозу морозного выветривания и морозостойкости скальных пород на территории СССР // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Ведене ева / Сборник научных трудов. - 1980. - Т. 137. - С. 86-92.

5. Рекомендации по изучению влияния морозного выветривания на состояние и механические свойства скальных пород: П 39-88 / ВНИИГ. - Л.;

1989.

6. Лушнов Н. П. Использование выветрелых горных пород в каменно-земляных плотинах. - М.: Стройиздат, 1981.

7. Матвеев Ю. Д. Динамика выветривания осадочных пород. - М.: Наука, 1972.

8. Ярг Л. А. Инженерно-геологическое изучение процесса выветривания. - М.: Недра, 1987.

УДК 624.131.372/ Канд.техн.наук А.Н.Ермолаева, доктор геол.- мин. наук А.А.Каган ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ С КРУПНООБЛОМОЧНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ Естественные и искусственные смеси грунтов, содержащие мелкозем (частицы размером менее 2 мм) и крупные обломки, находят все большее применение при возведении грунтовых плотин, в том числе их про тивофильтрационных элементов [1, 2, 3], строительстве ограждающих дамб, дорог, различных отсыпок и др. [1, 2]. Успешно эксплуатируются плоти ны, построенные в различных климатических зонах, например, в Таджи кистане Нурекская плотина высотой 300 м с ядром из грунта, содержа щего до 50% фракций диаметром от 5 до 200 мм;

на севере России - Ко лымская плотина высотой 130 м с ядром из суглинисто-супесчаного материала с 55% частиц диаметром 2-100 мм;

в Азербайджане - Сарсан гская плотина высотой 125 м, в верхнюю часть ядра которой уложена искусственно приготовленная смесь суглинка с дресвяно-песчаным материалом крупностью до 100 мм. Грунты, содержащие большое количество крупных частиц, будут использоваться при возведении плотин Зарамагской, Ирганайской, Тельмамской и Усть-Среднеканской ГЭС.

В связи с этим изучение и оценка свойств грунтовых смесей в зави симости от содержания в них крупных фракций, начальной влажности, тех нологии уплотнения и др. имеют очень большое значение. В то же время экспериментальное определение указанных свойств сопряжено с существен ными техническими трудностями. Поэтому возникла потребность в полу чении механических характеристик грунтов более простыми методами.

Экспериментально и аналитически [4] установлено наличие крити кр ческого содержания мелкозема в смеси Pм, зависящего, в частности, от тех т нологии уплотнения, и разработан способ его определения [5]:

мmax ( к к 0 max ) d d d = кр, (1) P м мmax ( к к 0 max ) + к к 0 max d d d dd где d max - максимальная плотность сухого грунта мелкозема для принятой м технологии уплотнения;

к - плотность сухого грунта отдельных частиц круп d n 1P нозема, = к кк ;

Pi - содержание i-ой фракции крупнозема с плот т n d i di i= ностью сухих частиц грунта d i ;

n - число фракций крупнозема;

d 0 max к к максимальная плотность сухого грунта образца из крупных фракций для принятой технологии уплотнения грунта.

Для естественных крупнообломочных грунтов [6] nк Pм = кр, (2) n к + к / м d d где d - плотность сухого мелкозема;

nк - пористость крупнозема.

м При Pм Pм крупные фракции в грунтовой смеси не имеют контактов, кр а разделены частицами мелкозема. При Pм Pм крупные фракции образуют кр т несущий жесткий каркас, мелкозем заполняет поры между крупными фракциями, практически не воспринимая эту нагрузку.

В случае, если Pм Pм, плотность сухого грунта смеси d рас см кр считывается по формуле м к см = dd (3), м Р к + к Р м d d d где Pк - содержание крупных фракций в смеси;

Pм - содержание мелкозема в смеси.

При испытании смеси на сжимаемость коэффициент пористости грун товой смеси для данной уплотняющей нагрузки равен см см ем = = есм s d, (4) Pк м см 1+ s d Р м к d где eм - коэффициент пористости мелкозема после его уплотнения нагрузкой ;

s - плотность частиц мелкозема.

м В том случае, когда с точностью, удовлетворяющей решение прак тических задач (при пренебрежимо малой пористости материала крупных зерен), можно принять см = м = s = к к (5) s s d и формула (4) приобретет вид (6) eсм = Pм eм.

Коэффициент сжимаемости грунтовой смеси в диапазоне нагрузок от 1 до 2 находится по формуле ам 2 eм 1 ем 2 (7) a см2 1 = =, м P P м (1 + sк к )( 2 1 ) 1 + к s d Рм Р м к d где eм 1, eм 2 - коэффициенты пористости мелкозема соответственно при нагрузках 1 и 2.

Модуль деформации смеси равен:

м Р 1 + есм Е см = = Е м + s к, (8) 2 d Р м ам 2 к асм где - коэффициент, учитывающий отсутствие бокового расширения в компрессионном приборе;

Ем - модуль деформации мелкозема.

При выполнении условия (5) 1 = Р м ам асм2 (9), Р Е см = Е м + к. (10) Р м ам 2 При РмРк Р м к ек d Рк м.

= есм s (11) Р м к 1+ d Р к м s Как упоминалось выше, при Р м Р м крупные обломки формируют кр т несущий каркас, который воспринимает внешнюю нагрузку. Поэтому, если не учитывать повороты и дробление частиц при сжатии, а также считать попадание фракций мелкозема между крупными обломками маловероятным, то с запасом можно принять (12) 1 = ак а см2, Есм = Ек. (13) Для проверки приведенных зависимостей были выполнены экспе риментальные исследования грунтов, уложенных в ядро плотины Колымской ГЭС. Показатели гранулометрического состава и свойств мелкозема при ведены в таблице.

s, Содержание фракций, %, при диаметре, мм Влажность Число г/см3 на пределе, плас доли ед. тич ности, менее теку- раска- доли 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25- 0,10- 0,05- 0,01 чести тыва- ед.

0,10 0,05 0,01 0,005 0, ния 2,7 6,6 7,6 6,7 8,0 15,3 23,8 29,3 2,75 0,218 0,182 0, Сжимаемость грунтовых смесей изучалась в компрессионных приборах типа К-IМ при ступенчатом приложении вертикальной нагрузки после условной стабилизации осадок от предыдущей ступени и начальной высоте образца 50-60 мм. Максимальное значение вертикальной нагрузки составило 1,0 МПа. Опыты велись при следующих соотношениях между мелкоземом и крупной фракцией: 1:0;

0,8:0,2;

0,6:0,4;

0,5:0,5;

0,4:0,6;

0,3:0,7;

0,2:0,8;

0,1:0,9;

0:1.

Таким образом, сжимаемость образцов из грунтовой смеси меньше, чем образцов из мелкозема или крупных фракций.

Сопротивление сдвигу грунтовых смесей подробно изучали О.А.Пахомов и М.П.Павчич [8]. Анализ результатов исследований, из ложенных в [8], показал, что при Pм Pм сопротивление сдвигу грунтовых кр смесей возрастает с увеличением содержания крупных фракций. При Pм Pм сопротивление сдвигу грунтовых смесей мало отличается от проч кр ности крупнозернистого материала.

Исследовалась зависимость параметров сопротивления сдвигу и С от относительного содержания мелкозема Р м и крупнозема Р к в смеси.

Изучались смеси при следующих соотношениях между мелкоземом и крупной фракцией: 1:0;

0,8:0,2;

0,6:0,4;

0,3:0,7;

0,2:0,8;

0,1:0,9;

0:1.

Опыты проводились в водном окружении на приборе ВСВ-25 по схеме быстрого сдвига после предварительного уплотнения вертикальной наг рузкой, равной 0,5 МПа, при вертикальных нагрузках - 0,1;

0,3 и 0,5 МПа.

Оценка прочностных характеристик смеси производилась по отно шению к образцу из чистого мелкозема или крупнозема.

Установление аналитических соотношений между параметрами проч ности и содержанием в грунте мелкозема не представляется возможным, поскольку указанные параметры находятся из зависимости сопротивления сдвигу от вертикальной нагрузки без учета происходящего при этом изме нения плотности.

Из вышеизложенного ясно, что при Pм Pм кр tg см = К ' tg м, (14) С см = К 'с С м, (15) где tgсм - коэффициент внутреннего трения грунтовой смеси;

К - коэффи ' циент относительной прочности по трению;

tgм - коэффициент внутреннего ' трения мелкозема;

Ссм - сцепление или зацепление грунтовой смеси;

K c коэффициент относительной прочности по сцеплению;

См - сцепление или зацепление мелкозема.

При Pм Pм кр (16) tg см = К " tg к, С см = К "с C к, (17) где К " - коэффициент относительной прочности по трению;

tg к коэффициент внутреннего трения крупнообломочной составляющей грун товой смеси;

К 'c' - коэффициент относительной прочности по сцеплению;

Ск - зацепление крупнообломочной составляющей грунтовой смеси.

Компрессионные испытания проводились после уплотнения образцов смесей циклической нагрузкой, равной 0,5 МПа.

При Pм Pм начальная влажность смесей изменялась от 0,11 до 0,15, кр а плотность от 1,89 до 2,08 г/см3. При этих условиях влажность мелкозема составляла 0,170,19 и была близка к оптимальной, а плотность 1,75 1,77 г/см3.

При Pм Pм начальная влажность смеси 0,16 и была близка к пол кр ному водонасыщению, а плотность смеси изменялась от 1,58 до 1,98 г/см3 (при к =1,371,42 г/см3).

d По результатам выполненных исследований определены коэффициенты пористости грунтовых смесей и построены компрессионные кривые.

е 0, 0, 0,40 0, 0, 0,,МПа 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, Рис. 1. Компрессионные кривые мелкозема и грунтовой смеси при Pм Pм кр (экспериментальные (1-4) и расчетные (5-7) кривые) - мелкозем;

- Рм : Рк = 0,8:0,2;

- Рм : Р к = 0,6: 0,4;

,, - Рм : Рк = 0,5:0,5.

, На рис.1 приведены экспериментальные и рассчитанные по формуле (4) компрессионные кривые грунтовых смесей при Pм Pм и следующих кр соотношениях между мелкоземом и крупной фракцией: 0,8:0,2;

0,6:0,4;

0,5:0,5. Для сравнения приведена также компрессионная кривая для чистого мелкозема. Выполненные исследования показали, что достигнуто удовлет ворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов. Из приведенных графиков также следует, что сжимаемость грунтовых смесей при Pм Pм определяется в основном сжимаемостью мелкозема. Дефор кр мируемость образцов грунтовой смеси тем меньше, чем больше она содержит в своем составе крупных фракций. Так, добавка в мелкозем 40% крупной фракции уменьшает модуль осадки с 79,38 до 34,22 мм/м, т.е. в 2,3 раза.

На рис.2 приведены экспериментальные и рассчитанные по формуле (11) компрессионные кривые грунтовых смесей для Pм Pм при следующих кр соотношениях между мелкоземом и крупной фракцией: 0,1:0,9;

0,2:0,8;

0,3:0,7, а также экспериментальная компрессионная кривая для крупной фрак ции. Выполненные исследования показали, что сжимаемость образца из крупной фракции значительно увеличивается при превышении нагрузки предварительного уплотнения (в рассматриваемом случае упл.=0,50 МПа).

Увеличение осадок вызвано, по-видимому, дополнительными сколами и нарушениями в контактах между крупными частицами. Добавка мелкозема в образец уменьшает напряжения в контактах и сжимаемость грунта. В связи с этим наблюдается хорошее совпадение расчетных и экспериментальных компрессионных кривых в области вертикальных напряжений меньших, чем нагрузки предварительного уплотнения (для переуплотненного состояния).

В области более высоких вертикальных напряжений расчетные комп рессионные кривые располагаются ниже экспериментальных, в результате чего завышается сжимаемость образцов из грунтовых смесей. Дефор мируемость образцов из грунтовой смеси при Pм Pм также меньше, чем кр для образцов из чистого крупнозема.

е 0, 0, 0,70 0, 0, 0, 0,30 0, 0,,МПа 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, Рис. 2. Компрессионные кривые крупнозема и грунтовой смеси при Pм Pм кр (экспериментальные (1-4) и расчетные (5-7) кривые) - крупнозем;

- Рм : Рк = 0,1:0,9;

- Рм : Р к = 0,2: 0,8;

,, - Рм : Рк = 0,3:0,7.

, На рис.3 приведены зависимости коэффициентов относительной проч ности: К ', угла внутреннего трения К ' и сцепления К 'c от содержания мелкозема в смеси, когда Pм Pм.

кр а) К ';

К ' б) К 'c Рис. 3. Зависимость коэффициентов относительной прочности от содержания мелкозема в смеси при Pм Pм кр К, ;

К 'c.

а - коэффициент угла внутреннего трения б - коэффициент сцепления Зависимости К ' и К ' от Рм практически выражаются одной прямой и после обработки по методу наименьших квадратов приобретают вид К ', =2,41-1,42 Рм. (18) Коэффициент корреляции составляет 0,90.

В результате обработки зависимости К c от Рм получена следующая ' формула К 'c =1,38-0,19 Рм. (19) Выполненный анализ показал, что при добавке в мелкозем крупных фракций в количестве, недостаточном для образования жесткого скелета ( Pм Pм ), увеличивается сопротивление сдвигу в основном за счет уве кр личения угла внутреннего трения. Некоторое увеличение Ссм по сравнению с См, по-видимому, объясняется возникновением дополнительного зацепления между крупными фракциями в процессе сдвига.

При Pм Pм, т.е. когда в смеси крупные фракции образуют жесткий кр скелет К '', =0,81 Рм + 1,02, (20) К 'c' = 1,02-2,34 Рм, (рис.4). (21) а) б) К ;

К " К 'c' Рис. 4. Зависимость коэффициентов относительной прочности от содержания мелкозема в смеси при Pм Pмкр К 'c'.

К" ;

а - коэффициент угла внутреннего трения б - коэффициент сцепления В этом случае также наблюдается некоторое увеличение общего сопротивления сдвигу смеси за счет увеличения угла внутреннего трения, при этом сцепление (зацепление) уменьшается. Необходимо отметить, что этот вывод относится только к исследованным грунтам, в которых мелкозем представлен в основном супесчаным материалом. Не исключено, что для мелкозема другого гранулометрического состава характер зависимостей будет иным.

Выводы 1. Выполненные исследования показали, что сжимаемость и соп ротивление сдвигу грунтовых смесей, содержащих мелкие и крупные фрак ции, могут оцениваться, исходя из свойств мелкозема и крупнозема, на основании полученных зависимостей.

2. Компрессионная кривая грунтовой смеси в зависимости от содержания мелкозема может быть рассчитана по компрессионной кривой мелкозема или крупнозема. При Pм Pм коэффициент пористости грунтовой кр смеси для каждой ступени нагрузки определяется по формуле (4), при Pм Pм - по формуле (11).

кр 3. Сопротивление сдвигу грунтовой смеси также может быть оценено в зависимости от содержания мелкозема Р м по сопротивлению сдвигу составляющих компонентов (мелкозема и крупнозема), используя коэф фициент относительной прочности, который для Pм Pм определяется по кр формулам (18) и (19), а для Pм Pм - по формулам (20) и (21).

кр СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Борткевич С. В., Ройко Н. Ф. Особенности уплотнения скелетно-глинистых ядер высоких каменно-земляных плотин // Энергетическое строительство за рубежом. - 1974. №4. - С. 32-36.

2. Борткевич С. В., Вуцель В. И., Чернилов А. Г., Ройко Н. Ф. Контроль качества уплотнения грунтовых материалов при строительстве высоких плотин // Гидротехническое строительство. - 1981. - №5. - С. 9-12.

3. Ермолаева А. Н., Павчич М. П., Рельтов Б.Ф. Экспериментальные исследования уплотняемости грунтовых смесей // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева: Сборник научных трудов. - 1989. - Т. 216. - С. 69-75.

4. Лащенов Н. Я., Ройко Н. Ф. Уплотнение грунтов при отсыпке в плотину Нурекской ГЭС и организация геотехконтроля // Гидротехническое строительство. - 1979. - №11. С. 27-30.

5. А.с. 1415185 А1 СССР. G 01 № 33/24. Способ контроля качества уплотнения грунтовой смеси / Ермолаева А.Н., Павчич М.П., Рельтов Б.Ф. // Открытия. Изобретения. 1988. - № 29.

6. Каган А. А. К определению объемного веса скелета песчано-гравийных грунтов// Труды Ленгидропроекта им. С.Я.Жука. - 1966. - Сб.4. - С. 86-90.

7. Каган А. А. Расчетные характеристики грунтов. - М.:Стройиздат, 1985.

8. Павчич М. П., Пахомов О. А. Экспериментальное обоснование предельно плотных смесей грунта // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева / Сборник научных трудов. - 1976. Т. 111. - С. 3-10.

УДК 624.131.372/ Канд. техн. наук Б. И. Балыков СПОСОБ ОПИСАНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА РАЗНОЗЕРНИСТЫХ ГРУНТОВ Нескальные грунты состоят из отдельных частиц и поэтому параметры гранулометрического состава являются одними из важнейших в системе параметров, определяющих свойства грунтов. Тем не менее уровень точности применяемых параметров гранулометрического состава не соответствует сов ременным требованиям и не способствует развитию методов исследований свойств грунтов и расчетов. В настоящей работе предпринята попытка составить таблицу параметров, определяющих гранулометрический состав с точностью до первых процентов, если оценивать точность с помощью сред неквадратического отклонения, и в первом приближении описать грану лометрический состав с их помощью.

Трактовка размера частиц грунта как случайной величины прочно вошла в практику исследований свойств грунтов. Каждая случайная величина имеет единственное распределение вероятностей, с помощью которого она определяется полностью [1]. Числовыми характеристиками распределения являются его моменты. Как показывает практика математической статистики, обычно достаточно знать первые четыре момента, чтобы с достаточной для технических приложений точностью описать случайную величину [1]. В отличие от теории вероятности и математической статистики в геотехнике в качестве параметров, характеризующих гранулометрический состав грунта, вместо моментов распределений гораздо чаще используют некоторые из размеров частиц, которым приписывают особые свойства и называют их характерными. По данным инженерно-геологических изысканий графики экспериментальных функций распределения размеров частиц грунтов или, другими словами, гранулометрических составов грунтов, могут иметь весьма разнообразную форму. Двухпараметрические распределения, среди которых получили наибольшее распространение формула Толбота [2] и логариф мически нормальное распределение [3-5], не обладали достаточной уни версальностью. Стремление к созданию универсальных и точных формул заставляло исследователей увеличивать количество параметров. Появилась модернизированная трехпараметрическая формула Толбота [6]:

a d d min F (d ) =, (1) d max d min где dmax и dmin - соответственно максимальный и минимальный размеры частиц грунта;

a - числовой коэффициент. Следует отметить, что несколько ранее в работе [7] была предложена более общая формула, которая, правда, использовалась автором только для описания гранулометрических составов в одном частном случае - для несуффозионных составов:

d d m F ( d ) = 60 min (2), %, d d 60 min где d60 - размер частиц, являющийся децилем (или просто - дециль) порядка 60%;

m - параметр, зависящий от коэффициента разнозернистости грунта Cu= d60 /d10;

d10 - дециль порядка 10%. В частности для несуффозионных составов автор [7] рекомендует: m = 1,28 lg Cu при dmin = 0 или m=1+1,28 lg Cu при dmin 0. Вместо дециля d60 и числового коэффициента перед скобками, равного его порядку, т.е. 60%, автор [7] считает возможным взять любую аналогичную пару. Также и в выражениях для m можно использовать любые другие два размера частиц.


Начало использованию в качестве параметров гранулометрического состава грунта характерных размеров частиц было положено в 1892 году Хазеном [8] при исследованиях водопроницаемости песков малой раз нозернистости (Cu 5). Хазен ввел в употребление размеры d60 и d10 в качестве характерных, которые он назвал соответственно контролирующим и дейст вующим или эффективным размером. У песков малой разнозернистости в двух - трех стандартных фракциях обычно содержится не менее 80% частиц (по массе). Поэтому график такого гранулометрического состава можно до вольно точно аппроксимировать прямой линией, проходящей через две точки d60 и d10. Чем больше разнозернистость грунта, тем меньше точность такого описания. В работе [9] на примере прочностных свойств экспериментально было показано, что контролирующий размер частиц существует не только у песков, однако порядок его квантиля изменяется в довольно широком диа пазоне, примерно от 48 до71% с серединой около 60%. Поэтому коэффициент Cu, строго говоря, не может быть универсальной и точной мерой неод нородности и пригоден лишь для грубых оценок. В литературе опубликовано большое количество предложений по использованию различных размеров частиц в качестве характерных[10].

В связи с вышесказанным перейдем к традиционному для математики определению функции распределения через ее моменты, т.е. через параметры, несущие полную информацию о составе грунта. Для иллюстрации рассуж дений воспользуемся примерами гранулометрических составов природных грунтов и горной массы, получаемой рыхлением массивов скального грунта взрывом (рис.1, табл. 1).

Суммарное содержание частиц, % 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Размеры частиц, мм Рис. 1. Примеры гранулометрических составов грунтов грунт №1;

грунт №2;

грунт №3;

грунт №4;

грунт №5;

грунт №6;

грунт №7.

Грунт № 6 представляет собой правую границу вариации (с довери тельной вероятностью 0,95) гранулометрических составов грунта место рождения №17 Рогунской ГЭС, из которого отсеяны обломки крупнее 200мм.

Искусственные смеси грунтов и грунты, состав которых получен усечением с заменой фракций, не рассматривались.

Таблица Параметры гранулометрического состава грунтов № Наименование грунта d, Vd As dl, ul F(dl), пп. мм мм % Песок (месторождение 1 1,13 1,14 2,01 0,12 0,102 5, №4, Терско-Малкинский гидроузел) Известняковая горная 2 189,3 0,96 1,11 10,0 0,030 6, масса упорных призм (Чарвакская плотина) Делювий (месторож 3 1,73 1,61 1,59 0,005 0,019 10, дение № 7, Тельмамская ГЭС) Горная масса полезных 4 19,5 1,16 1,30 0,029 0,0025 5, выемок (Усть-Средне канская ГЭС) Дресвяный грунт с 5 7,50 1,53 1,97 0,005 0,0062 11, глинистым заполни телем (месторождение «Приплотинное», Зарамагская ГЭС) То же (месторождение 6 38,0 1,37 1,36 0,005 0,00074 5, № 17, Рогунская ГЭС) Галечник (Цминское 7 94,6 0,91 0,71 0,98 0,00395 5, месторождение, Зара магская ГЭС) Попытки воспользоваться асимптотическими разложениями, основан ными на нормальном распределении и, прежде всего, рядом Эджворта [1], и линейным нормирующим преобразованием на данном этапе исследований не увенчались успехом. Поэтому было решено перейти к распределениям, сосредоточенным на положительной полуоси.

Анализируя гранулометрические составы природных грунтов, мы об ратили внимание на тот факт, что с увеличением диапазона размеров частиц [dmin, dmax] гранулометрические составы грунтов с возрастающей точностью нормируются следующим преобразованием d Vd u = F ( d ), (3) d где d 0 - размер частицы;

d - средневзвешенный размер частиц грунта;

F( d )- значение функции распределения в точке d = d ;

Vd - коэффициент вариации размеров частиц, Vd = d / d ;

d - среднеквадратическое откло нение размеров частиц. При этом F ( d ) хорошо аппроксимируется выра жением As2 As + F( d ) =, (4) 2 As2 5 As + где As - коэффициент асимметрии распределения, As = µ 3 / 3 ;

µ3- третий d центральный момент распределения.

Следует отметить, что подавляющее число изученных нами составов имело положительное значение коэффициента асимметрии, не превышающее 2,3. Поэтому числовые коэффициенты в формуле (4) нельзя считать окон чательными, впрочем как и вид формулы. На основании приведенных выше фактов был сделан вывод о существовании предельного нормированного гранулометрического состава, по отношению к которому все остальные гра нулометрические составы грунтов природного происхождения (и других изу чавшихся типов) являются усеченными. В частности можно полагать, что по мере дробления частиц в процессе выветривания гранулометрические составы грунтов стремятся к этому составу. (Графики нормированных гра нулометрических составов приведены на рис. 2).

Суммарное содержание частиц, % 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 Нормированные размеры частиц u Рис. 2. Нормирование гранулометрических составов грунт №1;

грунт №2;

грунт №3;

грунт №4;

грунт №5;

грунт №6;

грунт №7;

предельный состав.

В этой связи интересно отметить схему дробления частиц грунта, рассмотренную А.Н. Колмогоровым, в рамках которой любое распределение частиц по размерам при неограниченном времени дробления стремится к логарифмически нормальному [11]. Схема генезиса любого грунта гораздо сложнее рассмотренной А.Н. Колмогоровым. Даже если касаться только меха нических процессов, то кроме процесса дробления обычно присутствует перенос частиц под действием потоков воды, воздуха и силы тяжести. Время дробления также не всегда велико. Поэтому в природе имеет место упомя нутый выше состав, отличный от логнормального.

На данном этапе исследований не ставилась задача формулирования удобной во всех отношениях плотности и соответственно функции расп ределения предельного состава. Для подтверждения факта, что требуемая полнота таблицы определяющих параметров достигнута, достаточно полу чить высокую точность аппроксимации экспериментальных распределений любым выражением, включающим эти параметры. Анализ экспери ментальных данных показал, что выражение x ( t ) = K s t 8 exp (t 1), (5) 4 As2 As +, t = d vd, преобразует гранулометрические где K s = 2 As 4 As + 7 d грунтов с большим диапазоном размеров частиц [dmin, dmaх] в равно стороннюю гиперболу x*.

F ( x* ) = (6) 1 + x* На положительной части числовой оси функция F*(x*) неубывающая, ее значения изменяются от 0 до 1. Поэтому она может быть использована в качестве функции распределения. Верхний индекс (*) здесь и далее ука зывает на принадлежность к предельному распределению.

Как отмечалось выше, гранулометрический состав любого грунта F(x) можно полагать усеченным распределением, для которого распределение F*(x*) является исходным. Функции F*(x*) и F(x*) связаны между собой выражением [1] F * ( x * ) F * ( x min ).

* F(x ) = * * * (7) F ( x max ) F * ( x min ) * Из вышесказанного ясно, что гранулометрический состав грунта будет полностью определен с помощью функции (7), если заданы параметры: d, Vd, As, dmin, dmax. Для того, чтобы вычислить значения функции распределения по формуле (7), необходимо с помощью традиционных методов [1] от параметров d и As перейти к параметрам d * и As*. Анализ большого о количества экспериментальных данных показал, что V d = Vd.* Практически все экспериментальные гранулометрические составы цен зурированны, так как обычно неизвестны точные значения одного или обоих граничных значений размеров частиц dmin и dmax. Для устранения этого де фекта мы использовали два экспериментально определяемых размера частиц dl и dr. Размер частиц dl выбирали у грунтов, содержащих более 1% глинистых фракций, dl = 0,005мм, а у остальных грунтов dl = d5. В качестве dr принимали dr = d98. Если содержание в грунте первой фракции было больше 5%, то при нимали за dl и F(dl) размер частиц и содержание первой фракции. C помощью (7) были получены выражения для F*(dmin) и F*(dmax):

F * ( d r ) F ( d1 ) F * ( d1 ) F ( d r ) F * (d min ) =, (8) F ( d r ) F ( d1 ) F * (d r ) F * (d min ) F * (d max ) = F * (d min ) +. (9) F (d r ) Более удобен в использовании следующий вариант метода. Если представить выражение (5) в виде x (t ) = Ks t a exp (t 1), (10) 4 где а - переменная, зависящая от минимального размера частиц и определяемая следующим образом ln 1 ) K s exp 4 (t 1) (, (11) a= ln(t ) то, подставляя в (10) и (6) параметры d, Vd, As усеченного распределения, можно с небольшой потерей точности оценить значения F. В качестве t ( ) 1/ v d - порядок кван удобно использовать значения t = t = tl = d l / d ;

тиля t (о размере частиц d l см. выше).

Суммарное содержание частиц, % 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Размеры частиц, мм Рис. 3. Сопоставление способов описания гранулометрических составов грунтов грунт №1-эксп;

грунт №1-новый способ;

грунт №1-п;

грунт №1-мт;

грунт №2-эксп;

грунт №2-новый способ;

грунт №2-п;

грунт №2-мт;

грунт №5-эксп;

грунт №5-новый способ;

грунт №5-п;

грунт №5-мт.

Продемонстрируем возможности и точность метода и сравним его с формулами (1) и (2). Сопоставление с логнормальным распределением не имеет смысла, так как еще Л.Б. Рухин [4,5] установил, что оно дает хорошие результаты лишь для песков и совершенно непригодно для гравийных и галечниковых грунтов.

В качестве примера на рис. 3 приведены результаты аппроксимации трех экспериментальных распределений: предлагаемым способом, с по мощью формулы (1) - они помечены буквами “мт”, с помощью формулы (2) - буквой “п”. Значения среднеквадратических отклонений приведены в табл. 2.

Таблица Среднеквадратическое отклонение, % Метод Состав №1 Состав №2 Состав № Предлагаемый 3,6 2,6 3, Формула (1) 33,0 12,6 13, Формула (2) 10,6 6,2 3, Приведенные примеры показывают, что формулы (1) и (2) в меньшей степени универсальны по сравнению с предлагаемым методом. Формула (2) предпочтительнее формулы (1), так как с увеличением коэффициента разно зернистости от Cu = 3,85 у состава №1 до Cu = 10,2 у состава №2 и далее до Cu = 1257 у состава №5 ее погрешность снижается и приближается к погреш ности нового метода. Погрешность предлагаемого метода не зависит от разнозернистости грунта при Cu 33,5, однако, при Cu 3 резко возрастает и становится неприемлемой.


Коснемся еще одного вопроса. Всегда ли нужна такая высокая точность описания гранулометрического состава? Совершенно очевидно, что при исследованиях таких сложных процессов, как процесс выветривания горных пород, как суффозионные процессы в грунтах, необходимо иметь представление обо всех пяти параметрах гранулометрического состава.

Суммарное содержание частиц, % 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Размеры частиц, мм Рис. 4. Влияние коэффициента асимметрии на вид графика гранулометрического состава грунта As= - 2,646;

As = 0;

As = 2,646.

В то же время из рис. 2 видно, что максимальный размер частиц оказывает гораздо меньше влияния на значения функции распределения, чем минимальный, и при испытаниях, в которых свойства частиц усредняются (например, механическими нагрузками), можно полагать все составы неусеченными справа.

На рис. 4 на примере грунта, у которого d = 10мм, Vd =1,3, демон стрируется влияние на гранулометрический состав грунта коэффициента асимметрии во всем диапазоне его изменения (формулы (4) и (5)). По ложительные значения коэффициента мало изменяют состав грунта. Так как природных грунтов с отрицательной асимметрией (особенно менее 1) практически не встречается, то следует ожидать, что на механическое поведение грунта, когда свойства отдельных частиц хорошо усредняются, асимметрия его состава и значение dmin не будут оказывать существенного влияния. Поэтому при исследованиях механических свойств грунта, по видимому, будет достаточно знать не более двух параметров - d и Vd.

Выводы 1. Для асимметричных распределений, сосредоточенных на поло жительной полуоси, предложено нелинейное нормирующее преобразование, которое, в частности, может быть использовано в геотехнике при изучении гранулометрических составов грунтов для получения функций распре делений, имеющих более высокую степень универсальности и точности, по сравнению с существующими.

2. С увеличением диапазона размеров частиц [dmin, dmax], например, в процессе выветривания, гранулометрические составы грунтов природного происхождения стремятся к предельному нормированному грануломет рическому составу, по отношению к которому все они являются усеченными.

3. В общем случае наиболее высокая точность описания грануло метрического состава достигается с помощью пяти параметров: d, Vd, As, dmin, dmax, причем dmax наименее значимый из них - в большинстве случаев им можно пренебречь. Наиболее значимыми для грунтов являются два параметра:

d и Vd.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Крамер Г. Математические методы статистики. - М: Мир, 1975.

2. Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов. Практический курс. - М.: Стройиздат, 1981.

3. Разумовский Н. К. Характер распределения содержаний металлов в рудных месторождениях / Доклады АН СССР. - 1940. - Т. - 28. - № 9. - С. 815- 817.

4. Рухин Л. Б. Гранулометрический метод изучения песков. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1947.

5. Рухин Л. Б. Основы литологии. - Л.: Гостоптехиздат, 1961.

6. Петров Г. Н., Радченко В. Г., Дубиняк В. А. Крупнообломочные грунты в гидротехническом строительстве. - СПб.: Изд-во АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 1994.

7. Павчич М. Способ определения несуффозионных гранулометрических составов грунта // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева / Сборник научных трудов. - 1961.- Т. 68. С. 197-202.

8. Павловский Н. Н. Собрание сочинений. Т. 2. - М. -Л.: Изд-во АН ССР, 1956.

9. Балыков Б. И. Размер частиц, контролирующий прочностные свойства несвязных грунтов // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева / Сборник научных трудов. - 1987. - Т. 198. С. 50-53.

10. Павчич М. П., Балыков Б. И. Методы определения коэффициента фильтрации грунтов. -Л.: Энергия, 1976.

11. Колмогоров А. Н. О логарифмически нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении / Доклады АН СССР. - 1941. - Т. 31. - №2. - С. 99-101.

УДК 621.131. Канд. техн. наук Б. И. Балыков ОЦЕНКА ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КРУПНОЗЕРНИСТЫХ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ К крупнозернистым несвязным грунтам отнесем крупнообломочные грунты, содержащие песчаный заполнитель в любом количестве, удовлет воряющем требованиям классификации, и глинистый заполнитель в количестве, не оказывающем существенного влияния на механические свойства грунта, а также крупные и гравелистые пески. Крупнообломочные грунты, глинистый заполнитель которых оказывает заметное влияние на механические свойства грунта в целом, требуют отдельного рассмотрения за рамками данной работы.

Оценка прочностных свойств крупнозернистых грунтов имеет ряд особенностей, вытекающих из ограниченности размеров испытательного обо рудования. Наиболее важно, чтобы количество частиц в образце было боль шим. Если количество частиц в образце будет недостаточным, системати ческие погрешности от влияния на результаты испытаний пристенных эф фектов и разброс результатов за счет случайных погрешностей могут исказить не только величины получаемых при испытаниях показателей, но и характер искомых зависимостей, связывающих значения предельных напряжений при испытаниях на прочность. Обычно контроль осуществляется по величине отношения характерных размеров частиц грунта и размеров образца [1].

Второй важной особенностью является необходимость заменять испытания образцов грунта натурного гранулометрического состава испытаниями образ цов искусственных смесей частиц меньшей крупности. При этом необходимо, чтобы образцы смесей и натурных грунтов, а также условия их нагружения были механически подобны. Если механическое подобие реализовано не полностью, должен быть решен вопрос о переходе от результатов испытаний смесей к результатам для натурного грунта.

Наиболее подробно вопрос механического подобия крупнозернистых грунтов рассматривался в работах [2,3]. На основе обобщения большого коли чества публикаций [3] была сформулирована наиболее общая таблица пара метров, определяющих механические свойства несвязных грунтов. Затем, после накопления экспериментальных данных, в работах [4,5] были сфор мулированы условия подобия крупнозернистых грунтов в отношении меха нических свойств. Методика весьма трудоемка, так как переход от резуль татов испытаний модельных смесей осуществляется с помощью параметров, полученных при испытаниях большими сериями отдельных пар частиц на взаимный сдвиг.

Установлено [4], что при выполнении всех условий подобия, кроме равенства коэффициентов межчастичного трения, показатели прочностных свойств несвязного грунта, получаемые при испытаниях, существенным образом зависят от крупности частиц лишь в пределах определенного ди апазона нагрузок, при которых происходит значительное взаимное внедрение частиц и переработка выступов на поверхности частиц. Эта зависимость обусловлена тем, что с изменением размеров частиц изменяются геометри ческие параметры рельефа поверхности частиц и количество выступов, одновременно вошедших в зацепление.

Для реализации механического подобия в пределах этого диапазона нагрузок необходимо разработать приемлемый для широкого использования метод оценки рельефа поверхности частиц грунта различной крупности. До решения этого вопроса предлагается с целью снижения трудоемкости работ осуществлять переход от характеристик, полученных при испытаниях искусственных смесей частиц, к характеристикам для натурного грунта с помощью экспериментальных зависимостей.

Передача нагрузок в грунте от частицы к частице происходит в точках контакта частиц между собой, где действуют сосредоточенные усилия. Рав нодействующее усилие в точке контакта можно разложить на три состав ляющие: нормальное усилие P, касательное - T и вращающий момент Mв.

Сопротивление вращению является величиной, как минимум на порядок меньшей, чем сопротивление взаимному сдвижению частиц в точке контакта.

Поэтому будем полагать, что эта величина одинакова у частиц всех горных пород и не зависит от размеров частиц. Исходя из этого, при рассмотрении механических свойств грунта, в том числе и для целей моделирования, не будем включать в таблицу определяющих параметров момент M в. На приемлемость этого упрощения указывает, в частности, следующий факт: в пределах диапазона нагрузок, не приводящих к массовому дроблению частиц грунта, зависимости, связывающие предельные усилия при межчастичном сдвиге, и зависимости, связывающие предельные напряжения при испы таниях образцов на прочность, имеют одинаковый вид (рис.1 и рис.9-11 из работы [4]).

Сдвигающее усилие, н 0 50 100 Прижимающее усилие, н Рис. 1. Горная масса из гранитов района строительства Бурейской ГЭС.

Результаты определения сопротивления межчастичному сдвигу в воздушно-сухом состоянии d (мм) равно: - 1-2;

- 2,5-3;

- 5-6 ;

- 10-12;

- 14-17;

- 20-24;

+ - 34-40.

В общем случае поверхность частиц грунта имеет шероховатый рельеф.

Выступами ( шероховатинами) на поверхности частиц будем считать неров ности по крайней мере в несколько раз меньшие по величине характерного размера частиц. За характерный размер выступов на поверхности частиц грунта примем средний для всех фракций размер выступов - hв. В качестве е параметров распределения размеров частиц грунта используем наиболее зна чимые из них: среднее значение d и коэффициент вариации Vd. Напомним, что: Vd = d / d, где d - среднеквадратическое отклонение размеров частиц грунта. Размеры пор будем описывать усредненно с помощью коэффициента пористости e. Обозначим через eн значение коэффициента пористости образца в начале испытания.

Параметры T и P были нужны нам для уяснения физической картины работы частиц грунта под воздействием внешних нагрузок на образец грунта.

Использовать их для практических целей весьма затруднительно. Поэтому заменим их интегральными параметрами - значениями напряжений j (где i,j = 1,2,3 ), возникающих под воздействием внешних нагрузок на боковых поверхностях образца. Возможность такой замены объясняется следующими соображениями. При малых уровнях напряжений, не приводящих к разру шению выступов, наиболее вероятным средним контактом частиц в грунте будет контакт типа «выступ - выступ». При прочих равных условиях усилия в таких контактах будут определяться параметрами: i j, hв, e и количествомм нагруженных контактов, которое, в свою очередь, определяется параметрами:

hв, d, e. При некотором более высоком уровне напряжений начинают раз рушаться выступы на поверхности частиц и тогда наиболее вероятным будет контакт типа «частица - частица». При прочих равных условиях усилия в таких контактах будут определяться параметрами: j, d и количеством м нагруженных контактов, которое, в свою очередь, определяется параметрами:

d, e. Таким образом, если в таблицу параметров, определяющих механи ческие свойства несвязного грунта, будут входить j, hв, d, e, то усилия в точках контакта частиц можно полагать определенными.

Механические свойства частиц грунта определим упругими конс тантами: s - коэффициентом Пуассона и Еs - модулем Юнга, а также пара метрами прочности материала выступов Rв и материала тела частиц Rт.

Размерности параметров прочности такие же, как у модуля Юнга и напряжений j.

Влажность грунта в некоторой мере учитывается параметрами проч ности выступов и тела частиц. Однако необходимо еще учитывать смазы вающее действие воды в точках контакта и действие капиллярных сил. На данной стадии изученности вопроса мы будем действовать в рамках огра ничений, наложенных в [4], когда капиллярные силы можно не учитывать.

В рамках тех же ограничений будем считать, что приготавливаемые для испытаний образцы данной модельной смеси в механическом смысле нераз личимы. При статическом нагружении образцов можно не включать время в число определяющих параметров [3].

Из вышеизложенного следует, что таблица параметров, определяющих механические свойства образцов крупнозернистого грунта, имеет вид:

геометрические параметры частиц: hв, d, Vd, eн ;

параметры механических свойств материала частиц: s, Es, Rв, Rт ;

параметры напряженного состояния образца: ij.

Из анализа размерностей определяющих параметров получены следующие группы критериев подобия.

Критерии геометрического подобия:

hв ен ;

Vd.

(1);

(2) d Критерии, описывающие механические свойства частиц и напряженное состояние образца грунта:

ij ij ij Vs,,,. (3) Es Rв EТ Если частицы натурных и модельных образцов грунта состоят из одного материала, образцы имеют одинаковые коэффициенты пористости и нахо дятся в одинаковом напряженном состоянии, различия в прочностных и деформативных свойствах образцов будут определяться только критериями (2). Так как параметры hв и d в таких условиях коррелируют между собой, то вопрос о переходе от результатов испытаний образцов искусственных мо дельных смесей к результатам для образцов натурного грунта сводится к изучению влияния на результаты изменения средневзвешенного размера час тиц грунта и коэффициента вариации. В ходе исследований нам удалось расширить задачу за счет учета влияния на результаты испытаний коэффи циента пористости.

Вопрос о переходе от результатов испытаний образцов искусственных смесей к результатам для образцов натурного грунта будем рассматривать на примере определения сопротивления срезу lim в одноплоскостном срезном приборе при постоянном значении нормального к плоскости среза напря жении. Если в приведенных ниже выражениях заменить lim на 1,lim (наи большее главное напряжение) и на 3,lim (минимальное главное напряжение), получим выражения справедливые для результатов испытаний на прочность в приборе трехосного сжатия. Отметим, что испытания на прочность прак тически всегда состоят из двух этапов: уплотнения образца грунта заданным сочетанием j и затем с помощью изменения сочетания j сдвига одной части образца по другой или массового взаимного сдвижения частиц грунта относительно друг друга до разрушения образца.

График зависимости lim = lim() в общем случае имеет сложный ха рактер. Для рассматриваемого нами случая наиболее адекватна и удобна в использовании следующая его схематизация. График аппроксимируется лома ной линией. Первый линейный участок соответствует уровням нагрузок, вы зывающим упругую работу выступов и шероховатостей на поверхности час тиц на обоих этапах испытания, второй - нагрузкам, приводящим на этапе сдвига к существенной переработке выступов, но без значительных разру шений самих частиц. Третий участок соответствует разрушению выступов на этапе уплотнения и массовому дроблению частиц на этапе сдвига. Чет вертый участок - это участок, на котором массовое дробление частиц проис ходит на этапе уплотнения образца, до приложения сдвигающих нагрузок.

Его можно назвать участком вторичной прочности грунта, потому что в начале этапа уплотнения функционирует образец заданного гранулометрического состава, а на этапе сдвига - образец измененного, нового гранулометрического состава, приспособившегося к уровням напряжений. Границами участков являются значения напряжений: мprp - на границе пропорциональности предельных напряжений, мst - на границе прочности (массового дробления) частиц грунта и мstn - на границе упрочнения (вторичной прочности) грунта.

Касательные напряжения, МПа 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, рrp st 1 st 0 0,5 1,5 Нормальное напряжение, МПа Рис. 2. Результаты испытаний на прочность в водной среде модельных образцов горной массы из доломитистых известняков.

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты испытаний на срез модельных образцов горной массы из доломитистых известняков, а на рис.3 - результаты испытаний двух модельных смесей галечников Цминского месторождения Зарамагской ГЭС, у которых не выполнено требование о равенстве минеральных составов. Заполнитель этого грунта содержит более значительное количество низкопрочных частиц аспидных сланцев, чем крупнозернистые фракции. Поэтому изменение содержания в образце грунта заполнителя изменяет минеральный состав образца. График зависимости, связывающей предельные напряжения, имеет у этого грунта два участка дробления частиц. На всех соответственных линейных участках графики для двух составов не параллельны.

На рис. 4 приведены результаты испытаний искусственных смесей гранитных частиц в диапазоне упругой работы контактов частиц. Для выявления характера зависимости результатов испытаний от коэффициента пористости произведена ее линеаризация. Анализ большого количества экспериментальных данных показал, что произведение lim(1+e)a1 работает на всех участках ломаной, но показатель степени на каждом участке имеет свое значение, существенно снижающееся с ростом номера участка.

Сопротивление срезу, МПа 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 0,5 1 1,5 Нормальное напряжение, МПА Рис. 3. Зарамагская ГЭС. Результаты испытаний на срез под слоем воды искусственных смесей частиц из Цминского месторождения галечников - смесь № 1;

- смесь № 3.

Величина обратная тангенсу угла сдвига 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 1 2 3 4 5 (1+e) Рис. 4. Линеаризация зависимости тангенса угла сдвига от коэффициента пористости, полученной по результатам испытаний на срез в воздушно-сухом состоянии модельных смесей горной массы из гранитов района строительства Бурейской ГЭС Геометрический параметр частиц Vd: - около 0,8;

- 0,67;

- 0,44.

Обработанные к настоящему времени данные показывают, что у всех изученных грунтов на первом участке a1 3, на втором a1 1,66..., а на третьем и четвертом соответственно a1 0,03 и 0.

Получены следующие экспериментальные зависимости:

( ) м + A, 3 1 0,75 d V н tg 1 =.. (4) (1 + e) 1 + Vd м A, tg = н. (5) (1 + e ) d н 1+ d н +1.

с2 = Aсм, н (6) () 3 1+ e В результате мы получили методику оценки прочностных свойств крупнозернистых несвязных грунтов, опирающуюся на эмпирические зави симости (4) - (6). Определение коэффициентов, входящих в эти зависимости, производится с помощью метода наименьших квадратов (МНК - оценка). Из выражений (4)-(6) видно, что среднеквадратические отклонения предельных напряжений модельного и натурного образцов будут равны. Поэтому для получения расчетных значений прочностных характеристик используется стандартная методика. Данные для каждого из четырех участков обраба тываются отдельно. Методика опробована в хорошо изученном исследо вателями диапазоне напряжений до 2-2,5 МПа. За этим пределом (из-за от сутствия практической потребности) еще не накоплено достаточного коли чества экспериментальных данных.

Максимальные главные напря жения, МПа 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, Минимальные главные напряжения, МПа Рис. 5. Результаты испытаний в установках трехосного сжатия горной массы из гранитов месторождения № 26 Тельмамской ГЭС в воздушно-сухом состоянии - смесь № 1;

- смесь № 2;

- смесь № 3.

Гранулометрические составы Следует отметить, что вопрос модельных образцов горной массы оценки значений нstn (н3,stn) еще плохо из месторождения №26 изучен. Из примера, представленного Тельмамской ГЭС на рис. 5 и в таблице, видно, что значение нstn (н3,stn ) может сущес № Размер Суммарное содержание твенно зависеть от крупности частиц.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.