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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«ОАО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ им. Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА» ИЗВЕСТИЯ ВНИИГ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА Издание основано ...»

-- [ Страница 2 ] --

об- частиц, частиц по массе, % Причем в некотором диапазоне нап раз- мм цов смесь смесь смесь ряжений показатели прочностных №1 №2 № свойств более мелкозернистого об разца могут быть выше, чем у более 1 0,1 0 0,1 крупнозернистого. Однако при напря 2 0,25 0,1 3,5 17,5 жениях выше нstn (н3,stn ) значения 3 0,5 2 6, прочностных характеристик модель 4 1 8 11 48,6 ных и натурных образцов будут равны 5 2 12 17, и они будут гарантированными ми 6 5 20 37,4 89,7 нимальными значениями характе 7 0 37,4 54, ристик для данного грунта. Для уста 8 0 55 72,3 новления значений н stn ( н 3,stn ) 9 40 72,3 89,8 необходимо испытание нескольких 10 80 90 100 модельных смесей различной круп 11 120 100 100 ности и затем прогнозная оценка. Во многих случаях может оказаться достаточным назначить расчетные значения характеристик по минимальной оценке, т. е. по результатам испытаний модельных образцов при напряжениях, превосходящих нstn (н3,stn).

Выводы 1. Уточнена система условий механического подобия крупнозернистых грунтов.

2. Предложена новая, более общая схематизация зависимости между предельными напряжениями при испытаниях на прочность с помощью ло маной линии, содержащей четыре линейных участка.

3. Разработан метод оценки прочностных свойств крупнозернистых грунтов с помощью экспериментальных зависимостей, позволяющий в рам ках принятых ограничений осуществлять переход от результатов испытаний одной разновидности грунта по гранулометрическому составу и плотности сложения к другим разновидностям без дополнительных испытаний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Петров Г. Н., Радченко В. Г., Дубиняк В. А. Крупнообломочные грунты в гидротехническом строительстве.- СПб: АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 1994.

2. Назаров А. Г. О механическом подобии твердых деформируемых тел (к теории моделирования).- Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1965.

3. Балыков Б. И. Некоторые вопросы исследования механического подобия несвязных грунтов на основе анализа размерностей // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева / Сборник научных трудов. - 1978. - Т. 122. - С. 48-54.

4. Балыков Б. И. Современные методы оценки прочности крупнозернистых грунтовых материалов плотин и грунтов оснований // Обзорная информация / Информэнерго. Сер. 2.

Гидроэлектростанции. - 1989. - Вып. 5.

5. Определение прочностных характеристик крупнозернистых грунтов (Пособие к СНиП 2.06.05-84): П48-89/ВНИИГ. - СПб, 1990.

УДК 624.131.22+624.131. Доктор.техн.наук. В.Н. Жиленков ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА НА ЕГО ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ Известно, что глинистые грунты давно и широко используются в гид ротехническом строительстве в качестве дешевого материала, из которого выполняют противофильтрационные элементы водоподпорных сооружений различного назначения и, чаще всего, ядра или экраны каменно-земляных плотин. В середине текущего столетия именно в связи с началом проек тирования и строительства ряда высоких плотин приступили к углубленному изучению фильтрационно-суффозионных свойств глинистых грунтов.

Но круг обычно решаемых в таких случаях задач был нами расширен и дополнен исследованиями влияния температуры глинистого грунта на его водопроницаемость. Несмотря на то, что в такой постановке изучение водно физических свойств грунтов обычно проводится для оценки их нефтепро ницаемости, нас эта проблема интересовала, прежде всего, в связи с рас смотрением:

условий защищенности подземных вод при глубоком захоронении ток сичных водных растворов;

влияния температурного режима водоносного горизонта на продук тивность водозаборных скважин;

возможности сезонного аккумулирования горячей воды в подземных водоносных пластах;

перспективы строительства геотермальных электростанций.

При более внимательном ознакомлении с доступными нам источниками информации по данному вопросу обнаружилось много противоречивого в оценках влияния температурного фактора на водопроницаемость грунтов.

Так, например, авторы одной из публикаций на эту тему [1] утверждают, что при повышении температуры от 20 0С до 80-90 0С проницаемость глин уве личивается в 5-6 раз. В аналитическом обзоре работ [2] отмечается, что при таком же нагревании глинистых грунтов их проницаемость, в зависимости от минерального состава и поглощенных катионов, может возрасти на порядок и выше.

Более умеренные оценки влияния температуры водоносных пластов на продуктивность водозаборных скважин прослеживаются в некоторых за рубежных публикациях, например в [3], где отмечается увеличение дебита скважин на 80% при изменении температуры пласта от 3 до 25 0С. Но это вполне объяснимо, поскольку в той же мере уменьшается вязкость воды.

Однако, по мнению некоторых исследователей [4], обстоятельства из менения коллекторских свойств пород могут быть совершенно иными, а именно - с ростом температуры глинистого грунта в общем случае происходит увеличение гидравлически эффективной его пористости за счет разрушения гидратных оболочек частиц, но никаких подтверждений этого тезиса не приводится, кроме упоминания о результатах определений толщин тонких слоев 0,7 N растворов электролитов (KCl, BaCl2, AlCl3), образованных в капиллярах диаметром 0,03 см между воздухом и стеклом при повышении температуры от 00 до 60 0С [5]. Толщина слоев связанной воды (электролита) при этом уменьшалась, якобы, в 4 раза и более.

Вследствие этого проницаемость такого грунта (материала) должна резко увеличиться, поскольку в глинистом грунте связанная вода занимает значительную (до 95%) долю сечений поровых каналов [6].

Вообще, о гидрофильности глинистых пород судят по количеству воды, которое они могут сорбировать, сохраняя при этом сцепление частиц породы между собой.

Водоудерживающая способность глинистой породы принято характе ризовать весовой ее влажностью WL на границе текучести, или коэффи циентом пористости eL, величину которого рекомендуется [7] определять по формуле S е L = 1,06 W, (1) W L где S- плотность частиц породы (грунта);

W- плотность воды. Коэффициент 1,06 введен нами в эту формулу, чтобы учесть влияние более высокой плот ности воды в гидрофильных оболочках частиц.

Вместе с тем, гидрофильность породы можно оценивать, пользуясь другими методами: по теплоте смачивания, адсорбцией и десорбцией паров воды, по величине растворяющего объема и др.

Основную роль во взаимодействии минеральных частиц с водой играют молекулярные силы, определяемые как остаточные, или ван-дер-ваальсовы, которые проявляются в ориентационном, индукционном и дисперсионном действии и по сравнению с другими силами (ионными, электростатическими и ковалентными) значительно слабее.

В рассматриваемом случае главное для нас значение имеет ориента ционное действие молекулярных сил, зависящее от температуры воды, с по вышением которой возрастает тепловое трансляционное движение молекул воды.

Следует обратить внимание на то, что индукционное и дисперсионное действие молекулярных сил от температуры не зависит [8]. Энергия ионных и ковалентных связей имеет близкие значения, изменяющиеся от 50 до 300 ккал. Эти связи разрываются с трудом, поскольку они являются связями о ближнего действия, возникающими на расстояниях 1-2 А. Молекулярные же и водородные связи значительно слабее, их энергия изменяется от 1 до ккал. Поэтому в числе причин возможного изменения водопроницаемости глинистых грунтов при их нагреве, наряду с понижением вязкости воды, следовало бы указать на увеличение проточной части поровых каналов по мере температурной деградации сольватных оболочек. Но происходит ли это в действительности, нам неизвестно, в связи с чем к решению рассмат риваемого вопроса надо подходить экспериментальным путем.

На первый взгляд, методика таких экспериментов довольно проста:

достаточно фильтрационный прибор - пермеаметр с находящимся в нем образ цом испытываемого грунта поместить в термостат и, поддерживая на посто янном уровне напор фильтрующейся через образец воды, измерять ее устано вившиеся расходы на каждой ступени нагрева образца.

Нагревая образец грунта от комнатной температуры до температуры близкой к 1000С и определяя на каждой ступени нагрева коэффициент фильт рации грунта, можно установить характер изменения его водопроницаемости в зависимости от температуры. Как видно, для осуществления подобных экспериментов надо иметь сравнительно небольшой прибор - пермеаметр и подходящий по размерам термостат.

На рис. 1 представлена схема использовавшейся нами лабораторной установки со всем ее внешним обустройством, обеспечивающим поддержание и измерение с необходимой точностью напора, расхода и температуры воды, фильтрующейся через испытываемый образец грунта.

Для испытаний были выбраны три глинистых грунта с известными геофильтрационными свойст Таблица вами.

Зерновые составы этих Зерновые составы грунтов, подвергшихся грунтов пофракционно пред- термофильтрационным испытаниям ставлены в табл.1.

Выбор этих грунтов был Суммарный вес (%) частиц не не случаен. Он основывался на Грунт крупнее, чем d, мм желании проследить за измене- 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 1, нием водопроницаемости грун Супесь тов с практически одинаковым 11,3 22,4 68,5 81,6 98,0 (Нурек), или близким зерновым соста лаборатор вом, следовательно, и одина- ный № ковой геометрией порового Моренный пространства, но с различными 15,0 27,5 64,0 78,0 94,0 97, суглинок геотехническими характерис (Ленинград тиками, которые представлены ская обл.), в табл. 2. лаборатор Следует отметить, что ный № при почти одинаковом (во вся- Суглинок 22,0 36,6 76,0 91,2 97,4 97, ком случае, для образцов №10 (пойма реки и № 102) зерновом составе сум- Томи), лабо марная поверхность их частиц раторный составляла по расчетам около № 4000см 2 /г, а гидравлически Таблица эквивалентный диаметр поро Геотехнические характеристики грунтов вых каналов данных грунтов (если исключить толщину Плот- Коэф- сольватных оболочек вокруг ность фици- частиц) при среднем уплот нении до d =1,6 г/см3 (n=0,40) Грунт час- ент WL WP IP тиц, порис- можно считать равным 2 мкм.

S, тости Соответственно, коэффициент г/см3 eL фильтрации такого грунта по отношению к любой неполяр Супесь, ной и по вязкости близкой к лаборатор воде жидкости, например, ный №10 2,70 0,20 0,15 0,05 0, гексана, должен быть не менее Суглинок, 210 -5 см/с. Однако по от лаборатор ношению к воде, являющейся, ный №102 2,72 0,30 0,16 0,14 0, как известно, полярной жид Суглинок, костью, коэффициенты фильт лаборатор рации таких глинистых грун ный №244 2,72 0,33 0,195 0,135 0, тов оказываются на два-три порядка ниже [6].

Н ГВ Р V R Q dк = 1 =60 см Рис. 1. Схема лабораторной установки для термофильтрационных испытаний образцов глинистых грунтов:

1 - фильтрационно-компрессионный прибор;

2 - образец испытываемого грунта;

3- термостат;

4 - терморегулятор;

5 - сосуд Мариотта, с помощью которого поддерживалось постоянство напора;

6 - капиллярный измеритель объема профильтровавшейся через образец воды.

При выборе грунтов также имелась в виду способность низкоплас тичных супесей и суглинков к более интенсивному уменьшению водопрони цаемости по мере их уплотнения, в соответствии с впервые установленной нами [7] закономерностью, которая хорошо аппроксимируется выражением:

e eL К = 4 10 11 exp, см/с, (2) 0,17 0,048 e L где e/eL- приведенный коэффициент пористости мелкозернистой (d1мм) компоненты грунта.

Как видно, водопроницаемость супесчаных грунтов с относительно небольшими параметрами eL 0,75, уменьшается при их уплотнении быстрее, по сравнению с суглинками (eL = 0,751,1) и, тем более, глинами (eL 1,1).

Термофильтрационные испытания образцов глинистых грунтов про водились по специально разработанной методике.

Предварительно образец формировали с необходимым уплотнением грунта в пробоотборном кольце с внутренним диаметром dк = 8,75 см (пло щадь = 60 см2) и высотой 3 см, а затем кольцо с образцом помещали в рабочую камеру фильтрационно-компрессионного прибора (ФКП-1), выполненного из нержавеющего металла, фиксируя при этом с помощью верхней подвижной решетки и прижима заданный начальный объем образца.

После принудительного (под небольшим напором) водонасыщения образца и гидрометрического обустройства подготовленный таким образом прибор помещали в термостат и начинали испытания, измеряя напор и уста новившиеся во времени расходы воды, фильтровавшейся через образец при определенном его нагреве, который также стабильно поддерживался с помощью терморегулятора с отклонениями температуры от заданной в пределах ±10С.

Испытания проводились при градиентах напора i, изменявшихся в зависимости от проницаемости образца в пределах от 10 до 70 и, как это принято [4], вначале определялись по формуле K=Vt / i коэффициенты фильт рации образца при данной температуре t0, которые затем приводились с учетом указанных в табл.3 поправочных коэффициентов к температуре t = 20 0С.

Таблица Коэффициенты приведения вязкости воды к температуре tW = 200C Температура воды, 0С 10 20 40 60 80 90 Коэффициент приведения 1,25 1,0 0,65 0,47 0,36 0,31 0, Заметим, что результаты выполнявшихся фильтрационных испытаний анализировались и обобщались нами, исходя из подтвержденного специ альными исследованиями [7] факта отсутствия так называемого “начального” градиента напора при фильтрации воды через глинистые грунты.

В первом опыте испытывался моренный суглинок (лаб. №102) при его начальных характеристиках: dн= 1,71г/см3;

t = 16 0C ;

К 20 0 = 2,110-8см/с и eH= 0,59.

Его нагрев осуществлялся, как правило, ступенями по 200, с выдержкой температуры обычно в течение двух-трех суток - до полной стабилизации расхода фильтрующейся через образец воды.

В прямом цикле, при увеличении температуры до 950, опыт продол жался более 10 суток и, как оказалось, в этом диапазоне изменения темпера туры водопроницаемость данного грунта увеличивалась ровно нас только, насколько уменьшалась вязкость воды, т.е. приведенный к t W=20 0 C коэффициент фильт рации грунта К r (кривая 1 на рис.2) практически не зависел от температуры. Следовательно, в этом случае геометрия поровых ка налов грунта не менялась и вода просачивалась через него в пол ном соответствии с законом Пуазейля.

Также заметим, что геомет рический поперечник поровых ка налов (в местах их сужений) дан ного образца грунта, вычислен ный по рекомендуемой в [9] формуле d 0 = 0,46 6 х ed 17 (3) (где x= d 60 /d 10 = 13,6), равен Рис.2 Графики изменения приведенных к 2,110-4 см = 2,1мкм.

tW=20 0C коэффициентов фильтрации Иным образом изменялась в образцов глинистых грунтов в зависимости от их температуры опыте №2 водопроницаемость 1 - моренного суглинка (лаб. №102) при сафедобской супеси (лаб. №10), dн =1,70 кг/см3;

2, 3, 4 - сафедобской супеси (лаб.

которая имела начальные ха №10), соответственно при dн =1,74;

1,94 и рактеристики: dн = 1,74 г/см3;

2,01 г/см3;

3- сафедобской супеси в обратном еН= 0,55;

d0 = 2,6 мкм и процессе охлаждения образца;

5 - деллювиального суглинка (лаб. №244), при dн =1,53 г/см3.

К 20 0 = 310-6 см/с.

Как оказалось, при нагреве от 6 до 40 0С, приведенный коэффициент фильтрации образца супеси оставался неизменным и был равен 310-6 см/с, а при дальнейшем повыше нии температуры стал уменьшаться (кривая 2 на рис. 2) и к концу опыта, когда температура достигла 950С, понизился до 610-7 см/с, т.е. в пять раз. По всей видимости, такое понижение проницаемости образца было связано с появлением в его порах пузырьков выделившегося из воды растворенного воздуха.

После этого тот же образец супеси был доуплотнен до d = 1,94 г/см (е = 0,39) и вновь, в опыте №3, подвергся термофильтрационным испытаниям при начальном коэффициенте фильтрации К200 =110-7 см/с. В данном опыте снижение приведенного коэффициента фильтрации было отмечено лишь при нагреве до 60 0С, но оно оказалось не столь значительным (всего в два раза), при температуре t = 95 0С (кривая 3 на рис. 2). Вместе с тем нисходящая ветвь графика зависимости К2(t) расположилась выше начальной (восхо дящей) его ветви.

Испытания этого образца были продолжены после его повторного уп лотнения до d = 2,02 г/см3 (е = 0,34), в результате чего коэффициент фильт рации при нагреве до 950С практически не изменялся. Конечная влажность грунта Wк = 0,134 соответствовала полному его водонасыщению во время испытаний.

Заключительным этапом данных исследований явились такие же испы тания в опыте №5 деллювиального суглинка (образец №244) с начальной плотностью dн=1,53 г/см3 (е = 0,78) и расчетным значением К200 =3,510-8 см/с.

В отличие от моренного суглинка (лаб. №102), имевшего схожие начальные характеристики, при нагреве этого грунта от 20 до 70 0С его приведенный коэффициент фильтрации уменьшился более, чем в два раза (от 2,910-8 до 1,310-8 см/с), а затем, при дальнейшем повышении температуры всего лишь на 100, резко понизился до 310-9 см/с, т.е. на порядок по сравнению с начальным его значением.

Заметим, что влажность грунта, определявшаяся после испытаний Wк = 0,285, соответствовала полному его водонасыщению.

Таким образом, результаты этого эксперимента несколько нарушили выявленную ранее закономерность в изменении термофильтрационных характеристик подвергшихся испытаниям глинистых грунтов по мере снижения начальной их водопроницаемости.

Выводы В результате проведенных в лабораторных условиях термофильт рационных испытаний трех близких по крупности частиц, но различных по минералогическому составу глинистых грунтов, удалось установить, что при нагревании грунта его водопроницаемость (с учетом соответствующего изме нения вязкости воды) не увеличивается, как предполагают многие специалисты, исходя из гипотезы о деградации сольватных оболочек вокруг частиц грунта при повышении температуры, а, наоборот, уменьшается или не изменяется.

Снижение (приведенного к 20 0С) коэффициента фильтрации гли нистого грунта иногда на порядок и более характерно для грунтов с отно сительно высокой начальной водопроницаемостью, при К20 А10-7 см/с.

Выявленный эффект снижения водопроницаемости обусловлен, по видимому, пневмокольматажем грунта во время его нагрева, поскольку, как известно, термодинамическое состояние воды, находящейся в порах грунта, становится почти обычным на расстоянии не более 3-4 молекулярных ее слоев (1,110-7 см) от поверхности частицы, что примерно в 500-700 раз меньше поперечника поровых каналов испытывавшихся грунтов.

В связи с этим можно ожидать, что при увеличении внутрипорового давления воды термофильтрационные свойства глинистых грунтов будут более стабильными.

Однако для объяснения наблюдавшейся аномалии в изменении термофильтрационных свойств одного из грунтов (деллювиального суглинка) требуется провести дополнительные исследования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гольдберг В. М., Скворцов Н. П. Влияние физико-химических и термодинамических условий на формирование фильтрационных свойств глинистых пород // Проблемы изучения земной коры / АН БССР. Институт геомеханики и геофизики. - Минск. 1990. - С. 133-139.

2. Гоголев И. Я. Охрана природы и рациональное использование природных ресур сов / Аналитический обзор НИОКР: ВНИТИЦентр Госкомитета СССР по науке и технике. М., 1990.

3. Goodrich David L. The effects of ground water temperature on the productivity of water supply wells // Water Well J. - 1989 - 43. №6. - p. 27.

4. Оганов К. А. Основы теплового воздействия на нефтяной пласт. - М.: Недра, 1967.

5. Добрынин В. М. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. - М.: Недра, 1970.

6. Жиленков В. Н., Петров А. М. О возможности снижения концентрации растворенных в воде веществ при ее фильтрации через глинистые грунты // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева / Сборник научных трудов. - 1982. - Т.159. - С.22-28.

7. Жиленков В. Н. Водопроницаемость экранов из глинистых грунтов (опыт исследований) // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Фильтрационные исследования и расчеты при проектировании гидротехнических сооружений. - Л:

Энергоатомиздат.- 1983. - С. 119-127.

8. Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. Инженерная петрография. - Л.: Недра, 1970.

9.Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость: П49-90/ВНИИГ. - СПб.- 1991.

УДК 624.131.65 + 524.131. Доктор техн. наук Жиленков В.Н.

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ, ПОДВЕРГШИХСЯ ПРОМОРАЖИВАНИЮ И ОТТАИВАНИЮ В процессе промораживания и последующего оттаивания геотех нические характеристики тонкодисперсных глинистых грунтов, в особенности, пылеватых супесей и суглинков, заметно ухудшаются и, прежде всего, это выражается в снижении несущей способности грунта и его суффозионной устойчивости (фильтрационной прочности). Также весьма неблагоприятно морозное пучение таких грунтов, в связи с этим вопрос о возможном изменении строительных свойств глинистых грунтов часто возникает при проектировании сооружений, которые будут возводиться в северной климатической зоне, например, при разработке технологических приемов возведения водоупорных элементов каменно-земляных плотин или при подготовке основания, сложенного глинистыми грунтами.

В одной из ранних публикаций [1] дается представление о методике и результатах исследований, выполнявшихся в довоенные годы для оценки влияния пригрузки на прочностные характеристики моренных суглинков, промерзающих в зимний период строительства.

Позже, в связи с интенсивным освоением северных районов России, все большее внимание стали уделять изучению геокриологических процессов, происходящих в грунтах при их промораживании. При этом в ряд прио ритетных направлений ставилось изучение процессов морозного пучения грунтов, а также влияния внешнего давления на геотехнические свойства промерзающих грунтов. Соответственно, совершенствовалась методика таких исследований. Одновременно те же проблемы решались специалистами в центрах геотехнических исследований двух других северных стран - Кана ды и Норвегии.

Применительно к теме дальнейшего изложения можно указать на довольно характерную публикацию [2], в которой дано описание устройства для изучения в лабораторных условиях процесса влагопереноса в промо раживаемых грунтах. Конструктивно подобные устройства использовались многими нашими и зарубежными исследователями также для изучения криофильтрационных явлений в грунтах [3].

Тем не менее, подобная методика определения в лабораторных условиях водопроницаемости грунтов в процессе их промораживания и оттаивания имеет весьма существенный недостаток, заключающийся в том, что создаваемый в испытываемом образце фильтрационный поток направлен поперек текстурной слоистости (включающей прослойки льда), которая обычно возникает в глинистом грунте при его промораживании, особенно, если существует возможность подпитки воды из нижних горизонтов, находящихся в талом состоянии. Кроме того, подобные устройства, в том числе пермеаметры типа «ледовый сэндвич» [4], не позволяют воспроизвести условия нарушения суффозионной устойчивости грунта при увеличении градиента напора фильтрационного потока до его критического значения.

Предлагаемая методика криофильтрационных испытаний грунтов Строительство гидротехнических сооружений в северных районах побуждает геотехников к совершенствованию методов определения прочностных и фильтрационных свойств грунтов и грунтовых материалов, которые предполагается использовать для возведения сооружения в услови ях, специфических по температурным режимам, и те только во время строи тельства, но также и в период его эксплуатации.

Соответствующая этим условиям методика геокриологических и фильтрационных испытаний грунтов и грунтовых материалов ядер и экранов каменно-земляных плотин, а также и водоупорных элементов накопителей отходов была разработана в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». Методика базируется на использовании специально созданного устройства (рисунок), действующего по принципу поглощающего колодца в напорном пласте.

Испытываемый образец грунта (сформированный в коаксиальной рабочей камере устройства или помещенный туда в виде монолита) предварительно подвергают обжатию вертикальным расчетным усилием Р, действующим на поршень и передающимся от нагрузочного приспособления, например, гидравлического домкрата. Затем, по завершении консолидации грунта, поршень охлаждают до минусовой температуры, пропуская через его пустотелый кожух хладоноситель, либо с помощью термоэлектрического холодильника, расположенного под защитной крышкой непосредственно на торцевой поверхности поршня. При этом поток холода F от поршня начнет проникать сверху в толщу образца. Контролируя этот процесс с помощью термисторов, размещенных на наружной стенке рабочей камеры, интен сивность охлаждения грунта регулируют в соответствии с заданной прог раммой испытаний.

В тех случаях, когда это необходимо по условиям формирования криогенной структуры грунта в натуре, одновременно снизу (через подстилающий слой) осуществляют капиллярное промачивание грунта водой, втекающей в безнапорном режиме в нижний отсек центральной трубки, в связи с чем криодеструкция грунта происходит более интенсивно. При заполнении водой подстилающего слоя воздух из него выпускают через краник (см. рисунок).

Чтобы обеспечить одно из основных условий испытаний, заклю чающееся в одномерности потока холода в грунте (в поперечном по от ношению к фильтрационному потоку направлении), корпус рабочей камеры и центральная трубка выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например, из оргстекла или фторопласта, а их оболочки - из проницаемой геосинтетики.

В течение всего времени промораживания образца внешнее сжимающее его усилие Р поддерживается постоянным, а сопутствующие деформации, в том числе вследствие морозного пучения, регистрируются мессурой, установленной на поршне.

Схема устройства для криофильтрационных испытаний нескальных грунтов 1 - коаксиальная рабочая камера с испытуемым грунтом;

2 - подстилающий слой из пористого материала;

3 - массивный металлический поршень диаметром 18,2 см;

4 - пустотелый кожух поршня;

5 - термоэлектрический холодильник;

6 - защитная крышка;

7 - термисторные температурные датчики;

- нижний отсек центральной трубки;

9 - центральная перфорированная трубка с оболочкой из проницаемой геосинтетики;

10 - выпускной краник;

11 - мессура для измерения перемещений поршня;

12 - оболочка трубки;

13 - дренажная оболочка на корпусе рабочей камеры;

14 - дренажная кольцевая канавка;

15 - дренажный вентиль.

После промораживания образец подвергается медленному нагреванию сверху или снизу (исходя из реальных обстоятельств возведения и пос ледующей эксплуатации сооружения) и по завершении полного оттаивания приступают к испытаниям его на водопроницаемость и суффозионную устойчивость, для чего (предварительно перекрыв систему увлажнения через подстилающий слой) подают в центральную трубку воду под напором Н, откуда она просачивается в радиальном направлении через оболочку трубки и образец, а затем по дренажной оболочке на корпусе рабочей камеры стекает в кольцевую канавку и вытекает из нее наружу через дренажный вентиль.

При данной схеме испытаний средний по толщине образца коэф фициент фильтрации образца следует вычислять по формуле:

k = (Qw/2TH) ln (R/r0) (1) где Qw - расход профильтровавшейся воды;

R - внешний радиус образца (до дренажной оболочки);

r0 - внутренний радиус образца (радиус центральной трубки вместе с ее оболочкой);

T - толщина образца.

Таким образом, с помощью данного устройства можно определять водо проницаемость нескального грунта после одного или нескольких циклов его промораживания и оттаивания и, в частности, выяснить насколько увеличивается проницаемость грунта в резуль тате нарушения его первоначальной структуры при замерзании (криодест рукции);

установить характер изменения проницаемости в зависимости от величины внешней нагрузки и начального уплотнения;

оценить морозное пучение грунта при различных условиях его ув лажнения в процессе промораживания.

Пример практической реализации предлагаемой методики По данной методике проводились во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева криофильтрационные испытания карьерного суглинка, который намечено использовать в качестве материала ядра русловой каменно-земляной плотины Усть-Среднеканской ГЭС, строящейся на р. Колыме. Исходные геотех нические характеристике суглинка представлены в табл. 1 и 2.

Таблица Зерновой состав Усть-Среднеканского суглинка Коэффициент Плотность Крупность частиц, мм разнозерни- частиц стости = d60/d10 s, г/см d10 d17 d50 d60 d 0,0035 0,005 0,025 0,035 0,10 10 2, Таблица Характеристики водно-пластических свойств суглинка Пределы Индекс Оптимальная пластичности пластичности Параметр влажность WL WP IP eL W 0,23 0,17 0,06 0,66 0, На завершающей стадии испытаний этот суглинок с начальной влажностью W н = 0,20 до его замораживания был уплотнен внешним давлением = 1,18 МПа до d = 1,90 г/см3 и e = 0,42. Расчетное значение коэффициента фильтрации суглинка (при этих параметрах состояния) вычислялось по формуле Жиленкова В.Н. [5]:

e / eL k p = 4 10 11 exp,см/с (2) 0,17 0,048 / e L и оказалось равным 310-8 см/с.

Коэффициент фильтрации суглинка, найденный в процессе его испы таний, kэ = 2,310-8 см/с, близок к расчетному.

После первого этапа фильтрационных испытаний и определения ис ходных характеристик состояния суглинка с помощью термо-электрического холодильника, установленного на поршне, производилось сравнительно быстрое (в течение нескольких часов) его промораживание до t = -200С при наличии внешнего давления = 0,1 МПа и отсутствии воды в центральной трубке. Интенсивность промораживания контролировалась термодатчиками, располагавшимися по четыре штуки с двух сторон образца, вдоль образующей.

Затем, при наличии внешнего давления, производилась примерно в таком же темпе оттайка образца, по окончании которой вновь определялась его водопроницаемость. При градиентах напора, не превышающих в среднем двух единиц, оказалось, что коффициент фильтрации суглинка, опреде лявшийся сразу после его оттайки, увеличился в двадцать раз. Однако, по прошествии двух суток, снизился до первоначального значения.

Одновременно проводились по ранее разработанной [6] методике испы тания на водопроницаемость образцов того же грунта, но при отсутствии внешнего давления. Оказалось, что в этом случае водопроницаемость образ цов после их оттаивания увеличивалась в разных опытах на два-три порядка, т.е. в гораздо большей степени, чем при наличии внешнего небольшого давления.

Из сопоставления с результатами аналогичных исследований других грунтов также удалось установить, что контрастность в изменении водо проницаемости грунта после цикла замораживания-оттаивания становится более заметной по мере возрастания этой характеристики в исходном его состоянии (при прочих равных условиях и прежде всего - температуры на охлаждаемой поверхности образца). И, как известно, водопроницаемость грунта после его оттаивания оказывается более высокой при замедленном режиме промерзания - в диапазоне температур до -5 0С, так как в этом случае обычно формируются утолщенные прослойки (шлиры) льда, после вытаивания которых в грунтовых противофильтрационных элементах напорных сооружений могут возникнуть опасные сосредоточенные (сви щевые) протечки, являющиеся очагами суффозии.

Заключение Во многих отечественных и зарубежных научных публикациях по геокриологической проблематике и, в частности, работах, в которых рассматриваются различные методики оценки влияния низких температур на геофильтрационные свойства мелкодисперсных грунтов, отмечается необходимость создания такой методики моделирования процессов промерзания грунта, какая в наибольшей мере соответствовала бы условиям формирования криогенной структуры грунта в натуре, в особенности, применительно к условиям возведения грунтовых гидротехнических сооружений в северной строительно-климатической зоне.

Это требование учитывалось в первую очередь при разработке в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» новой, более совершенной лабораторной методики криофильтрационных испытаний грунтов.

Главное отличие данной методики от известных заключается в воз можности проводить испытания на водопроницаемость оттаявших грунтов при одновременном воздействии на испытываемый образец внешней нагрузки, существенным образом влияющей на формирование криогенной структуры грунта, а, следовательно, и на его водопроницаемость.

Специально созданная для этих целей лабораторная установка конструктивно выполнена с учетом возможности подпитки грунта водой во время его промораживания, что часто встречается в естественных условиях.

По данной методике успешно проведены криофильтрационные испы тания образцов глинистых гурнтов, которые в качестве строительного материала, будут использованы для возведения ядра плотины Усть Среднеканской ГЭС на реке Колыме.

И, наконец, с помощью устройства, адаптированного к предлагаемой методике, можно проводить испытания крупнозернистых образцов-мо нолитов (отобранных из грунтового массива в виде кернов), без каких-либо осложнений, обусловленных протечками воды вдоль стенок рабочей камеры обычного фильтрационного прибора-пермеаметра.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Евдокимов П.Д., Зауербрей И.И. Влияние замораживания и оттаивания моренного суглинка на его строительные свойства / Гидротехническое строительство. - 1950. - №2. С. 26-29.

2. Miller R.D., J.P.G. Loch and E. Bresler Transport and heat in a frozen permeameter.

Soil Sci. Soc. Amer. Proc. - 1975, 39, p. 1029-1036.

3. Кузнецов Г.И., Балясников Г.Г. О применении мерзлых грунтов для возведения плотин // Известия ВУЗов / Гидротехническое строительство. - 1979. - №4.

4. Horiguchi K., Miller R.D. Experimental studies with frozen soil in an «ice sandwich»

permeameter. Cold Regions Sci. and Technol., Department of Agronomy, Ithaca, NY 14853, 1980, No.3. - p. 177-183.

5. Жиленков В.Н. Водопроницаемость экранирующих покрытий из глинистого грун та // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. - 1977. - Т. 115. - С. 101-109.

6. Жиленков В.Н., Шевченко Н.И., Петров А.М. Экспериментальные исследования фильтрационно-суффозионных свойств глинистых грунтов после их оттаивания // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике / Гидротехническое строительство в районах Крайнего Севера (СГС-86) / Изд. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. - Л., 1987. - С. 163-167.

УДК 624.131. Канд. физ.-мат. наук В. Б. Глаговский, инж. С. А. Старкова К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЗУЧЕСТИ ГРУНТОВ Изучению вопросов ползучести грунтов посвящено много работ, обоб щение которых выполнено, в частности, в монографиях [1, 2]. При этом для описания процессов ползучести грунтов используются различные виды функций времени. В настоящей статье обсуждается только один из аспектов проблемы учета ползучести грунтов при расчетах сооружений – аппрокси мация результатов лабораторных исследований грунтов и данных натурных наблюдений различными функциями времени с точки зрения качества и трудоемкости аппроксимации.

В качестве основной рекомендации при расчетах гидротехнических сооружений и их оснований [3, 4] для описания процесса затухающей ползу чести предлагается со ссылкой на многочисленные исследования [2] исполь зовать функцию времени вида a [1 e ], m bn ( t t0 ) ( t ) = (1) n n= причем на практике часто ограничиваются одним членом этой суммы.

Подобная рекомендация содержится и в СНиП 2.02.02-85 «Основания гидро технических сооружений» [5].

Напротив, в [1] указывается, что экспоненциальная зависимость плохо согласуется с данными экспериментов и ее использование не рекомендуется.

Однако в примерах, приводимых для подтверждения этого утверждения, отсутствует математически корректный подбор параметров ползучести.

Авторами выполнены численные эксперименты по аппроксимации опытных данных и определению параметров ползучести для экспонен циальных, степенных и логарифмических функций времени, часто приме няемых для описания кривых ползучести. Ниже обсуждаются некоторые результаты этих исследований, приведены примеры подбора параметров ап проксимирующих функций.

Рассматривались три вида аппроксимирующих функций с двумя параметрами: экспоненциальная f (t) = a(1 e-bt), логарифмическая f (t) = = a + blg t и степенная f (t) = a tb. Поиск параметров аппроксимирующих функций выполнялся с помощью метода наименьших квадратов, что означает, что параметры аппроксимирующей функции должны минимизировать функцию невязки N ( f (t ) y ) F ( a,b ) =, (2) k k k k = где tk, yk - экспериментальные точки;

k - вес, приписываемый k-ой точке, (по умолчанию все k = 1);

f (tk) - значение аппроксимирующей функции в k-ой точке.

Из условия минимума невязки F(a,b) вытекает равенство нулю ее частных производных по a и b, что дает два уравнения относительно двух параметров a и b:

F f ( t k ) N = 2 k ( f (t k ) y k ) = 0;

a a k = (3) F f ( t k ) N = 2 k ( f (t k ) y k ) = 0.

b b k = Рассматриваемая задача в общем случае является смешанной линейно нелинейной задачей о наименьших квадратах (функция невязки линейна по части переменных и нелинейна по остальным) [6], методы и алгоритмы решения которых рассмотрены, в частности, в [7, 8]. Не останавливаясь здесь на вопросах экономичности применяемых алгоритмов и оценке погрешности результатов, укажем только, что решение поставленной нелинейной задачи практически невыполнимо без использования вычислительной техники.

При оценке параметров ползучести экспоненциальная функция вы глядит предпочтительнее логарифмической и степенной, так как при бес конечном возрастании времени дает конечное значение осадки. Однако, как показывают результаты ряда численных расчетов по обработке экспери ментальных данных, во-первых, такая функция с параметрами, удовлет воряющими системе уравнений (3), плохо приближает экспериментальные точки, и, во-вторых, значения параметров таковы, что прогнозируемая осад ка на бесконечности (равная параметру а) получается меньше, чем измерен ная экспериментально, что не согласуется с физическим смыслом парамет ров аппроксимирующей функции. Для улучшения согласования аппроксими рующей функции с экспериментальными данными и улучшения учета вклада в подбор параметров значений в экспериментальных точках, соответст вующих длительным наблюдениям, рассматривались различные варианты введения весовых коэффициентов и ограничений на параметры функции. В частности, на параметр а и веса k накладывались следующие ограничения:

1. k ~ tk (вес пропорционален времени);

2. k ~ lg(tk) (вес пропорционален логарифму времени);

3. k ~ lg(tk), и в расчет принимаются только последние несколько точек с большими tk;

4. a maxk(yk) при различных весовых коэффициентах.

Условия типа 1-3 обеспечивают лучшее приближение функции к последним точкам, пренебрегая первыми;

функции с полученными пара метрами дают несколько большее значение невязки по всем точкам, но позволяют получить более приемлемые значения осадок на бесконечности (y y). Хотя по-прежнему в случае монотонности экспериментальных точек соответствующие кривые проходят ниже последней точки, что не идет «в запас» при прогнозе деформации сооружения. Условие 4 гарантирует прохож дение кривой не ниже последних экспериментальных точек, но также не обеспечивает хорошего приближения аппроксимирующей функции к экспе риментальным данным (рис. 1, табл. 1).

10 15 - экспериментальные точки - без веса - при условии 1) - при условии 2) - при условии 3) - при условии 4) t, час 0 50 100 150 Рис. 1. Аппроксимация экспоненциальными функциями для первого набора точек.

Таблица Параметры экспоненциальных аппроксимирующих функций для первого набора точек (yi) Условие a b k=1 21,76 0,0782 30, k tk 22,80 0,0475 47, k lg(tk) 22,25 0,0607 34, k lg(tk), по 7 22,91 0,0369 77, последним точкам a maxk(yk) 23,95 0,0532 54, Сохранение же в формуле (1) большего количества слагаемых улучшает качество аппроксимации, но резко повышает трудоемкость решения и вряд ли целесообразно в практических расчетах.

Сравнение аппроксимаций функциями различных типов проводилось по двум признакам: 1 - близость аппроксимирующей функции к экспери ментальным точкам на заданном интервале времени (t1 t tN), и 2 прогнозируемые функцией значения осадок при временах порядка срока службы сооружения (десятки лет).

x - эксперимент альные т очки y=23,95(1-e-0,0532t), ( y) 2=54,5;

y=3,558+9,066 lg t, ( y) 2=4,8;

5 y=7,12 t0,238, ( y) 2=29,4.

час t,t,tчас,час 0 50 100 150 Рис. 2. Аппроксимация функциями различного типа для первого набора точек.

Сравнивалось качество аппроксимации функциями трех видов: экс поненциальной - f(t) = a(1-e-bt), логарифмической - f(t) = a + blg t и степенной - f(t) = atb. Ниже приводятся результаты для трех совокупностей экспе риментальных точек, первые две их которых получены по результатам лабораторных испытаний грунтов в течение нескольких суток, проводив шихся в институте, а третья - пример из книги [1] - результаты натурных наблюдений. На рис. 2 - 4 изображены три набора экспериментальных точек и графики аппроксимирующих функций. Видно, что в приведенных примерах во всех случаях минимальное значение невязки, т. е. наилучшее приближение на заданном интервале, обеспечивает логарифмическая функция.

x - эксперимент альные т очки y=22,21(1-e-0,147t), ( y)2 =83,1;

- y=6,601+7,253 lg t, ( y)2 =2,0;

5 y=8,03 t0,212, ( y) 2=16,9.

160 t, час 0 40 80 Рис. 3. Аппроксимация различными функциями для второго набора точек.

В табл. 2 приведены значения относительных осадок для разных моментов времени для первого набора точек. Из таблицы видно, что, хотя логарифмическая функция с течением времени неограниченно возрастает, Таблица Относительные осадки для разных моментов времени (первый набор точек) Функция 50 лет 100 лет 0 1 tN -bt a(1-e ) 0 1,241 23,95 23,95 23,95 23, a+blgt - 3,558 24,62 54,7 57, atb 0 7,120 25,47 157 для значений времени, сравнимых со сроком службы сооружения, она дает разумные значения осадок. То же относится отчасти и к степенной функции, хотя значения осадок для t = 50 и 100 лет в данном примере в 2 - 3 раза выше, чем у логарифмической функции. Кроме того, важно, что, во-первых, при аппроксимации логарифмической и степенной функциями невелик риск занизить значения осадок для больших времен, чего нельзя сказать об экспоненциальной функции;

и, во-вторых, поскольку простой заменой переменных логарифмические и степенные функции линеаризуются, подбор параметров для них при небольшом числе точек легко выполнить и вручную.

S, см - эксперимент альные т очки y=11,5(1-e-0,0655t), ( y)2=17,2;

y=4,95+2,781 lg t, ( y)2=0,48;

y=5,92t0,124, ( y)2=0,61.

0 50 100 150 t, мес Рис. 4. Аппроксимация различными функциями для третьего набора точек.

Таким образом, на наш взгляд, при обработке данных длительных испытаний грунтов нет смысла заранее фиксировать вид функции времени.

Следует использовать различные виды зависимостей и выбирать наиболее подходящую с учетом как трудоемкости и качества аппроксимации, так и дальнейшего применения при расчетах сооружений аналогично рекоменда циям [9] по обработке данных компрессионных испытаний грунтов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высш. Школа, 1987.

2. Месчян С. Р. Экспериментальная реология глинистых грунтов. - М.: Недра, 1985.

3. Гольдин А. Л., Рассказов Л. Н. Проектирование грунтовых плотин. - М.:

Энергоатомиздат, 1987.

4. Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. - М.: Высш.

Школа, 1981.

5. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений.

6. Дэннис Дж., мл., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решение нелинейных уравнений. - М.: Мир, 1988.

7. Golub G. H., Pereyra V. The differentiation of pseudo-inverse and nonlinear least squares problems whose variables separate. SIAM J. Numer. Anal. 10 (1973), 413 - 432.

8. Kaufman L. C. A variable projection method for solving separable nonlinear least squares problems. BIT, 15 (1975), 49 - 57.

9. Евневич А. А., Кощеев И. Л. Автоматизация обработки данных компрессионных испытаний грунтов // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева / Сборник научных трудов. 1991. - Т. - 223. - С. 70 - 77.

УДК 624.131. Канд. техн. наук Л.А.Эйслер, канд. техн. наук И.У. Альберт, канд. техн. наук Ю.Г. Смирнов, инж. С.Н. Гладких ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ГРУНТОВ В УСЛОВИЯХ СДВИГА И ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ Определение динамических прочностных и деформационных харак теристик грунтов имеет важное значение для оценки устойчивости основа ний и грунтовых сооружений, находящихся в условиях действия дина мических нагрузок, обусловленных сейсмическими, ледовыми и техно генными воздействиями. Диапазон частот таких нагрузок может быть весьма широк (от долей Герца до нескольких десятков Герц). Совместно с нагрузками статического характера такие воздействия могут существенно влиять на прочностные и деформационные характеристики грунтов и вызывать поте рю устойчивости основания или сооружения при допредельных уровнях напряжений, действующих на грунтовый массив (например, при воз никновении явления разжижения). По этой причине в нормативных документах ряда стран, регламентирующих вопросы оценки устойчивости грунтовых сооружений и оснований, общепринятые прочностные и деформационные характеристики грунтов, полученные в результате ста тических испытаний, дополнены рядом характеристик, обусловленных динамическими воздействиями [1].

Исходя из современного уровня требований, предъявляемых к экспериментальным методам исследований грунтов, во ВНИИГ им. Б.Е. Ве денеева в течение ряда лет проводятся работы по созданию экспери ментальных установок для исследований свойств грунтов в условиях действия динамических нагрузок. В результате этих работ созданы две экспе риментальные установки для определения динамических прочностных и деформационных характеристик мелкозернистых грунтов с возможностью их проведения в условиях трехосного напряженного состояния, вибро компрессии и чистого сдвига. Установки позволяют выполнять испытания грунтовых образцов как нарушенной, так и ненарушенной структуры, при полном и частичном водонасыщении, в дренированных и недренирован ных условиях в широком диапазоне действующих частот и интенсивностей статических и динамических нагрузок.

1. Установка для выполнения трехосных испытаний* Трехосные динамические испытания грунтов осуществляются на установке, схемы которой приведены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Схема установки для выполнения трехосных испытаний 1 - вибростенд;

2 - корпус камеры;

3 - основание;

4 - верхняя крышка;

5 - стержень;

6 - образец грунта;

7 - цоколь;

8 - сетчатый фильтр;

9 - магистраль подачи воды в камеру;

10 - магистраль дренажа;

11 - стойки;

12 - центровочный диск;

13 - втулка наружная;

14 - шпилька;

15 - направляющая втулка;

16 - пакет грузов;

17 - нагрузочный столик;

18 - гайка;

19 - траверса;

20 - ходовой винт;

21 - вывешивающее устройство;

22 - датчик вертикальных деформаций;

23 - хомут;

24 - датчик объемных деформаций;

25 - датчик порового давления;

26 - датчик давления в камере;

27 - датчик ускорений на грузах;

28 - датчик ускорений на вибростоле.

_ * Разработка конструкции и изготовление камеры стабилометра осуществлялись инж. А.И.Смильтнеком.

Установка представляет собой стабилометр типа А, закрепленный на грузовой платформе вибрационного стенда, и включает следующие основные узлы и системы: вибростенд типа ВЭДС-400А;

камеру стабилометра;

систему для создания вертикальных статических и динамических нагрузок;

систему формования и вакуумирования образца;

систему для водонасыщения образца углекислым газом;

систему для создания всесторонней гидростатической нагрузки на испытуемый образец;

измерительно-информационную систему;

вспомогательную контрольно-измерительную аппаратуру.

При вибрировании грузового стола вибростенда возникающие силы инерции масс-грузов являются источником динамической осевой нагрузки на испытуемый образец;

изменение динамической нагрузки - близкое к сину соидальному закону;

частота и интенсивность нагрузки может варьироваться в достаточно широком диапазоне. Большие статические нагрузки могут соз даваться винтовым домкратом, передающим вертикальное усилие через пру жину, устанавливаемую на нагрузочном столике. В этом случае необходимая величина динамической составляющей нагрузки создается, как и ранее, массами-грузами, а оставшаяся часть статической нагрузки - винтовым домкратом. При нагрузке свыше 600 Н применяется вывешивающее устройство, использование которого позволяет разгрузить вибростенд от статической нагрузки, превышающей паспортную грузоподъемность вибростенда.

Рис. 2. Схема пневмо-гидравлической системы установки 1 - магистраль вакуумирования;

2 - вакуум-насос;

3 - ресиверный баллон;

4 - вакуумметр;

5 - баллон с углекислым газом;

6 - магистраль подачи СО2;


7 - магистраль подачи воды;

8 - емкость для водонасыщения образца водой.

Одним из важных вопросов исследования динамических харак теристик прочности мелкозернистых грунтов является оценка соответ ствующих характеристик в условиях их полного или частичного водона сыщения. Известно, что причиной потери устойчивости основания может являться не только развитие значительных необратимых осадок грунтового основания вследствие достижения предельного напряженного состояния, но также и рост избыточного порового давления, которое может явиться при чиной полного или частичного разжижения грунта.

Для исследования этого вопроса в состав установки введена система водонасыщения грунтовых образцов, которая позволяет получить требуемое состояние грунта. Для тонкодисперсных грунтов с низкими фильтра ционными свойствами водонасыщение может осуществляться одновремен но с подачей противодавления, обеспечивающего достижение требуемого показателя водонасыщения b 0,95, равного отношению приращения всестороннего (гидростатического) давления к приращению порового давления [2]. Процесс водонасыщения таких грунтов значительно ускоряется предварительной прокачкой под небольшим избыточным давлением легкорастворимого в воде газа (CO2), вытесняющего из пор грунта воздух.

Информационно-измерительная система, которой оснащена установка, включает в общем случае девять каналов измерения и регистрации параметров испытаний, в том числе - два канала измерения ускорений, три канала измерения вертикальных деформаций, два канала измерения поперечных деформаций, канал измерения порового давления в образце грунта и канал измерения давления в камере стабилометра. Каждый канал состоит из чувствительного элемента (датчика), усилителя и линии связи с ПЭВМ с установленной в ней платой аналого-цифрового преобразования типа L-1251, с помощью которой осуществляется преобразование анало говых сигналов в цифровую форму и запись их в виде файла данных на магнитный носитель. Анализ и обработка результатов испытаний осу ществляется с помощью пакета программ ПОС. Датчики для измерения вертикальных и поперечных деформаций выполнены по схеме консольной тензометрической балки.

Тензометрические датчики порового давления и давления в камере типа ЛХ-415/10 включены в соответствующие магистрали прибора и позволяют контролировать как средние, так и мгновенные изменения соответствующих величин.

Результаты тарировки каналов измерения указывают на вполне удовлетворительную линейность зависимостей выходных напряжений каналов от измеряемых величин, что позволяет в ряде случаев при обработке результатов измерений ограничиться их линейной аппроксимацией во всем диапазоне измерений. Точность измерения составляет 3-5% при работе на линейном участке характеристики датчика.

Методика испытаний зависит от конкретных целей исследований, состояния грунта, его структуры и требуемой схемы нагружения [2, 3]. Ряд этапов является общим для всех видов испытаний и включает:

подготовку образца и установку его в камеру стабилометра;

предварительное вакуумирование образца;

насыщение образца углекислым газом (для испытаний полностью водонасыщенных грунтов);

гидростатическое нагружение;

приложение осевой статической нагрузки;

динамическое нагружение.

Конструкция установки для трехосных испытаний позволяет вы полнять также виброкомпрессионные испытания образцов грунта в условиях открытой системы, для чего используется компрессионная камера, уста навливаемая на цокольную часть основания стабилометра. Методика таких испытаний достаточно подробно изложена в [4].

На рис.3 в качестве примера, иллюстрирующего результаты серии методических испытаний мелкозернистого сухого песка средней начальной плотности (Id=0,75), приведен стандартный паспорт, отражающий зави симости между компонентами тензоров напряжений и деформаций при статическом и динамическом нагружении. Параметры нагрузки: всестороннее давление 3= 0,089-0,208 МПа, амплитуда динамической осевой нагрузки 1д = 0-0,12 МПа, частота нагрузки - 6 Гц. Этап статических испытаний выполнялся в соответствии c [5]. Полученные зависимости показывают, что динамическое нагружение вызывает развитие дополнительных объемных и сдвиговых деформаций по сравнению со статическими. Прочность грунта, определяемая предельной зависимостью при динамических и статических нагрузках, практически одинакова, если в качестве критерия прочности принимается суммарное (статическое и динамическое) значение среднего и сдвигающего напряжений.

2. Установка многоплоскостного сдвига Большое количество параметров, определяющих прочностные свойства грунтов, приводит к необходимости постановки комплексных лабораторных исследований при разнообразных внешних воздействиях. Наряду с трехосными испытаниями на динамическом стабилометре во ВНИИГ им.

Б.Е. Веденеева создана, прошла отладку и работает установка много плоскостного сдвига, моделирующая условия простого сдвига. Создаваемое в ней напряженно-деформируемое состояние (НДС) образца грунта существенно отличается от НДС в эксплуатируемых срезных приборах и близко к одному из видов напряженного состояния грунта в основании сооружений - плоской деформации.

Рис. 3. Паспорт статических и динамических испытаний.

При проектировании установки ставилась задача обеспечить воз можность консолидированно-недренированных испытаний на сдвиг пол ностью водонасыщенных грунтов с регистрацией объемных и сдвиговых деформаций, а также порового давления в широком диапазоне статических и динамических нагрузок на образец.

Размеры цилиндрического образца, в частности, отношение высоты к диаметру, выбраны с учетом рекомендаций по обеспечению постоянства граничных условий в процессе опыта. Испытаниям подвергаются образцы нарушенной структуры диаметром 70 мм и высотой 20 мм.

Установка позволяет проводить опыты при статическом нагружении ступенями с помощью грузов на подвесе и троса.

При определении коэффициента трения в системе “грунт - грунт”, “грунт - стальная шероховатая пластина” использовалось кинематическое нагружение образцов с постоянной скоростью деформации. При этом ус тановка обеспечивает регулировку скорости деформации в широких пре делах. Кроме этого, установка позволяет проводить испытания с раздельно изменяемыми статической и динамической (синусоидальной) компонента ми сдвиговых усилий. Динамические компоненты регулируются по амплитуде и частоте. Частотный диапазон 0,05 3,0 Гц.

Конструкция установки представлена на рис. 4. Основой установки является камера 1 из стальных шлифованных и затем притертых колец толщиной 3 мм каждое. Верхнее кольцо камеры закреплено в неподвижной крышке. На верхней крышке монтируются датчики вертикальной де формации 8. Камера установлена на основании, на котором также смон тирован датчик давления поровой жидкости с вентилем 9. Нагрузочный шток 4 и штамп 3 вместе с динамометром 5 и винтовым домкратом 6 обеспечивают передачу на образец вертикальной нагрузки, предельная величина которой составляет 0,6 МПа;

направляющая втулка и нагрузочный шток представляют собой притертую плунжерную пару. Штамп 3 имеет проточки для крепления оболочки и фторопластового бандажа, а также перфори рованный вкладыш для подачи жидкости и регулировочный вентиль.

Резиновая оболочка, в которую помещается образец, имеет толщину 0,5 мм и выдерживает избыточное давление около 0,3 МПа. Платформа - основание движется по калиброванным стальным каткам. Снижению трения качения способствуют шлифованные пластины, по которым движутся катки.

Рис. 4. Схема установки многоплоскостного сдвига 1 - камера;

2 - образец грунта;

3 - штамп;

4 - нагрузочный шток с направляющей втулкой;

5 - динамометр;

6 - винтовой домкрат;

7 - датчик сдвиговых деформаций;

8 - датчики вертикальных (объемных) деформаций;

9 - датчик порового давления;

10 - шток-толкатель;

11 - трос;

12 - кривошип;

13 - редуктор;

14 - пружина.

Установка включает в себя систему подготовки и подачи воды в об разец, а также систему задания сдвигающих нагрузок.

Испытание образцов в условиях полного водонасыщения требует тщательной деаэрации подаваемой в образец воды. Это достигается пред варительным кипячением и дальнейшим вакуумированием в специальной емкости, из которой под давлением вода подается в образец. Существенному ускорению процесса водонасыщения способствует предварительное за полнение пор сухого образца углекислым газом и дальнейшее его вытеснение водой.

Система задания сдвигающих воздействий состоит из двух элект ромоторов с редукторами, обеспечивающими поступательное движение нагрузочного штока-толкателя 10, а также рычага с подвесом и тросом 11.

Кривошип 12 соединяет редуктор 13 и нагрузочный шток 10. Амплитуда динамической составляющей сдвиговой нагрузки определяется жесткостью сменной пружины 14, устанавливаемой между штоком и платформой, и регулируемым ходом штока.

Сдвиговые и вертикальные (объемные) деформации измеряются с по мощью тензодатчиков, жесткость и чувствительность которых выбрана исхо дя из требуемого диапазона измеряемых перемещений. Точность измерения горизонтальных перемещений платформы и вертикальных перемещений штампа при использовании тензостанции 4-АНЧ-22 и цифрового вольтметра В7-23 составляет (23)103 мм. В опытах с заданной скоростью деформации используется датчик силы - тензобалка, в середину которой упирается нагрузочный шток. Давление поровой жидкости и фаза динамической составляющей сдвиговой нагрузки также измеряются тензодатчиком.

В экспериментах по определению коэффициента трения грунтового образца по пластине устанавливался дополнительный тензодатчик, ре гистрирующий смещение нижнего кольца камеры относительно платформы основания.

Все используемые датчики предварительно тарировались методом сравнения с эталоном. В качестве эталона использовались мессура с ценой деления 0,001 мм, образцовый манометр и динамометр.

Все каналы измерения включены в информационно-измерительный комплекс, описанный выше и обеспечивающий запись сигналов в реальном масштабе времени с обеих установок.


Некоторые результаты отладочных опытов В процессе отработки методики испытаний проводились эксперимен ты по определению угла внутреннего трения в песчаных образцах (морско го шельфа) с различной влажностью, а также по определению трения влажного пылеватого песка по стальным шероховатым пластинам. В обеих сериях использовалось кинематическое нагружение образцов с постоянной скоростью деформаций( = 2,2·10-4 1/с ). При определении трения “грунт по грунту” деформируемая высота образца составляла 20 мм при общей высоте ~ 28 мм. Касательные напряжения на образце регистрировались путем за писи сдвигающих усилий, прилагаемых к образцу. В этих опытах прове рялась повторяемость результатов и их совпадение с данными других исследователей. Проведенные опыты по трению позволили оценить влияние продуктов коррозии и шероховатости поверхности на коэффициент трения в системе “песок - сталь”.

На рис. 5 представлен пример записи динамического испытания на сдвиг в закрытой системе полностью водонасыщенных образцов нарушен ной структуры при v эф = 0,1 МПа. При этом поровое давление составляло 0,21 МПа, а вертикальная нагрузка - 0,31 МПа. Статическая компонента сдвиговой нагрузки av составляла ~ 0,01 МПа;

амплитуда динамической составляющей cy была равна величине 0,012 МПа.

Один из вариантов обработки проведенной серии опытов представлен на рис. 6. Числом циклов N обозначено предельное число циклов нагружения до разрушения образца. За разрушение образца принималось достижение cy = 0,05. Здесь следует обратить внимание на тщательность подготовки образцов, их однородность и постоянство начальной плотности. В пред ставленной серии опытов подготовка образца состояла из следующих этапов:

формование сухого образца;

предварительное вакуумирование и заполнение пор образца угле кислым газом;

водонасыщение образца: сначала - при очень малом избыточном давлении воды, затем - ступенчатое повышение вертикальной нагрузки и выход на расчетные параметры;

контроль водонасыщения;

повышение плотности образца путем “утряски” в открытой системе;

cy = 0,100,12 v эф ;

контроль плотности.

Рис. 5. Пример осциллограмм динамических испытаний на сдвиг полностью водонасыщенных грунтов ( аv 0).

Рис. 6. Зависимость изменения избыточного порового давления в пылеватом шельфовом песчаном грунте.

Таким образом, в настоящее время во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева работают две установки для динамических испытаний мелкозернистых грунтов - стабилометр и установка многоплоскостного сдвига. Широкий диапазон внешних воздействий, возможность проведения недренированных испытаний при полном водонасыщении, автоматизированная запись результатов опыта - основные достоинства описанных стендов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Det Norske veritas foundation. Classification Notes No. 30.4 // - February., 1992.

2. Метод лабораторного определения характеристик прочности и деформируемос ти немерзлых песчаных и глинистых грунтов при динамических нагрузках грунтов // Пособие к нормативному документу / ВНИПИморнефтегаз при участии ПНИИСа и ЛГТУ. М., 1992.

3. Бишоп А., Хенкель Д. Определение свойств грунтов в трехосных испытаниях. М.: Госиздат литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961.

4. Рекомендации по определению устойчивости структуры и уплотняемости несвязных грунтов при динамических деформациях одноосного сжатия: П67-76 / ВНИИГ. Л., 1978.

5. ГОСТ 12248-96. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости при трехосном сжатии / Госкомитет СССР по делам строительства. - М.: Изд-во стандартов, 1996.

УДК 624.131. Инженеры Г.А. Моторин, А.Б. Шубин ОПЫТ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ТУННЕЛЕ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННЫХ ПОМЕХ В 1991 году во ВНИИГ им. Б.Е Веденеева выполнялись исследования деформируемости скального массива в процессе проходки напорного туннеля Ирганайской ГЭС механизированным комплексом «Роббинс».

Туннель пройден в среднеюрской (J2 bt-bj) толще алевролито-аргил литового тонкослойчатого флиша с наличием песчаников. Залегание пород субгоризонтальное (угол наклона до 10...20 о). На различных участках тунне ля породы характеризуются разной степенью тектонической нарушенности, что обусловлено развитием в массиве серии антиклинальных и синклиналь ных складок. Развиты пологонаклонные трещины напластования и субвер тикальные;

трещиноватость разномасштабная – от крупных трещин до мелкокливажной.

В состав комплекса работ по оценке строения и деформационных характеристик массива входили геофизические (сейсмоакустические и элек трометрические) и статические деформационные исследования, по резуль татам которых определялись динамические модуль упругости Е д и коэффициент Пуассона µд;

статический модуль деформации Едеф, мощность ослабленной зоны hо вблизи контура выработки.

Сейсмоакустические исследования Методика работ. Наблюдения выполнены по методике сейсмо акустического профилирования на стенках туннеля и прямого каротажа шпуров глубиной до 4 м. Профилирование обеспечивало получение встречных и нагоняющих годографов продольной (P) и, в ряде случаев, поперечной (S) волн. Шаг сейсмоприемников при профилировании равнялся 0,5 м;

воз буждение колебаний – ударное;

для приема колебаний использовался сейсмоприемник С1-30 с собственной частотой 30 Гц. Регистрация колебаний производилась одноканальной сейсмоакустической установкой САУ-1 на базе электронно-лучевого осциллографа С1-35 с автономным питанием. Точность определения времени прихода сейсмического сигнала оценивалась ± 50 мкс.

При шпуровых исследованиях применялись шпуровой сейсмоприемник и мерная составная штанга (длина одного колена равнялась 1,5 м). Шаг сейсмоприемника при каротаже составлял 0,2 м.

Специфическая особенность описываемых сейсмоакустических иссле дований связана с очень сильными техногенными помехами (электрическими наводками и механическими вибрациями от работы механизмов). На основе выполненных наблюдений с целью снижения уровня помех можно реко мендовать:

воздерживаться от рабочих записей упругих колебаний во время дейс твия гидравлических механизмов, так как установлено, что вибрация гидравлической системы имеет частоту близкую к собственной частоте сейс моприемника (30...50 Гц) и приводит к резонансному возбуждению пос леднего;

тщательно экранировать моментную линию вплоть до поверхности ударника;

выполнять соединительную линию от прибора к регистратору только экранированным кабелем.

Даже используя эти меры, практически при каждой смене пикета сейсмоприемника требуется ручная регулировка усиления приемного канала и установка оптимального соотношения «сигнал – помеха».

Скорость распространения упругих волн определялась из разностного годографа. На основе совместных определений скорости продольной VP и поперечной VS волн (и дальнейших расчетов Ед по известным формулам теории упругости) был построен график Ед=f(VP) (рис. 1), который исполь зовался для оценки Ед на тех участках, где регистрировалась лишь Р-волна.

Результаты исследований.Сейсмоакустические исследования проведены на четырех участках. Выполнено сейсмоакустическое профили рование на стенках туннеля и в шпурах. В отличие от общеизвестных воз можностей сейсмопрофилирования в штольнях и туннелях в случае описы ваемых здесь работ длина стоянки строго ограничена Ед, положением проходческого комплекса «Роббинс» на - МПа момент производства работ, - которое и обуславливает сравнительно малую протя женность обнаженного проходкой массива, так как уже на расстоянии 5 м от штампа поверхность мас сива покрывается набрызг бетоном.

При сейсмоакусти ческом профилировании на 5 V p, км/с 1 2 3 записях регистрировались следующие типы волн:

Рис. 1. Связь динамического модуля упругости Ед прямые продольные и скорости продольной волны VP в массиве пород и поперечные P0 и S0 волны, вокруг Ирганайского туннеля распространяющиеся в 1 - в ослабленной зоне;

2 - в сохранном массиве. пределах зоны ослаблен ных пород вокруг выработки. Диапазон изменения Vp0 от 1,3 до 3,25 км/с, диапазон изменения Vs0 от 0,56 до 1,96 км/с;

преломленные продольные и поперечные Pн и Sн волны от границы массива сохранных (ненарушенных) пород. Диапазон изменения Vpн от 4, до 5,55 км/с, Vsн от 2,5 до 2,7 км/с.

Продольные волны имеют собственную частоту колебаний в диапазоне fp= 430...1250 Гц, среднее значение fp= 770 Гц. Поперечные волны имеют fs= 190...830 Гц, среднее значение fs= 440 Гц. Среднее значение длины волны составляет от 5,9 до 6,2 м, что удовлетворяет условию D, где D диаметр туннеля, равный 8,5 м. Это позволяет считать зарегистрированные волны аналогом обычных продольных и поперечных волн.

По материалам сейсмоакустических исследований определены мощ ность зоны разуплотнения массива вокруг туннеля ho и характеристики деформируемости пород в пределах ослабленной зоны и в неизмененном массиве.

Зона ослабленных пород вокруг выработки формируется в основном за счет перераспределения поля естественных напряжений в процессе про ходки туннеля проходческим комплексом «Роббинс», так как при такой про ходке исключается взрывное воздействие на массив. Конфигурация ослаб ленной зоны определяется, в основном, структурными особенностями мас сива. Сейсмоакустические исследования проводились непосредственно вслед за проходкой, в течение 2-х суток, что ограничивало рассмотрение динамики процесса формирования контура ослабленной зоны только начальным периодом. Непосредственными инструментальными наблюдениями (каротаж шпуров, сейсмоакустическое профилирование) дана оценка мощности ослаб ленной зоны h o на различных участках туннеля (таблица) на момент исследований. Мощность ослабленной зоны меняется от 0,9-1,1 до 1,7-2,0 м и более. Породы ослабленной зоны находятся под влиянием сложного нап ряженно-деформированного состояния массива. Деформационные харак теристики пород зависят также от состава, слоистости и трещиноватости массива вблизи поверхности туннеля. По результатам сейсмоакустических исследований, значения динамического модуля упругости Едо в пределах зоны ослабления меняются в диапазоне от 2860 МПа до 14800 МПа, значения динамического коэффициента Пуассона µдо - в диапазоне от 0,24 до 0,43.

(Измерения динамических характеристик проводились в направлениях приблизительно вдоль слоистости пород). Данные приведены в таблице.

Для сохранного массива глубже зоны разуплотнения определены диа пазоны изменения динамического модуля упругости Едн в пределах от до 66800 МПа, динамический коэффициент Пуассона µдн оценивается прибли зительно в 0,25. График связи динамического модуля упругости Ед с Vp для пород, вмещающих туннель, дан на рис. 1.

Определение статических деформационных характеристик породы в боковых стенах туннеля производилось с использованием распорных дом кратов механизированного проходческого щита «Роббинс», через боковые опорные плиты которого на стены передавалась горизонтальная нагрузка.

Боковая опора состояла из трех опорных плит размером 4,0х1,4 м каждая, закрепленных на жестком основании. Максимальные напряжения достигали 3 МПа. Результаты совместных сейсмоакустических и геомеханических исследований приведены в таблице.

Для установления корреляционной связи между значениями модулей деформации Едеф и упругости Ед в таблице приведены расчетные значения Едi (графы 9, 10, 11), являющиеся характеристиками породы до глубины Hi (соответственно 5, 10 и 15 м). Расчет производился с учетом весовой функции h (длины интервала определения конкретного значения Ед) по формуле:

Едо ho + Eднhн где h +h =Н.

Едi =, н o ho + hн Необходимо отметить, что максимальная величина Н=15 м, согласно расчетам, выполненным во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (под руководством М.С. Ламкина), соответствует оценке максимальной мощности активной зоны (применительно к статическим нагружениям в Ирганайском напорном туннеле), причем для случая однородного изотропного массива вокруг выработки. При наличии ослабленной зоны мощностью ho можно пред полагать, что мощность активной зоны На заключена в пределах hoНа15 м.

В связи с этим были проанализированы четыре варианта корреляции Ед и Едеф в предположении, что:

1) На = ho;

2) На=5 м;

3) На=10 м;

4) На=15 м.

Наиболее близкими к графику Ед=f(Eo), полученному Г. В. Михай ловским* для пород Гимринского автодорожного туннеля, оказался второй вариант, т.е. На=5 м (рис. 2).

В геологическом отношении схематизированная модель массива по гео физическим данным представляется неоднородной и анизотропной.

Основным техногенно привнесенным элементом неоднородности яв ляется ослабленный слой, при легающий к стенке выработки E д, и приблизительно характери 10 зуемый следующими пара МПа метрами:

hо1,5м;

Vо0,5Vн;

Eдо0,25Eдн.

На основе выполненных геофизических исследований массива можно рекомендовать следующие средние характе ристики деформируемости:

в ослабленной зоне Е до =120 10 2 МПа, диапазон Е до = (30...150) 10 2 МПа;

Едеф.0 = 30 102 МПа, диапазон Е деф.0 = (10...35) 10 2 МПа;

в неизмененном массиве Едн=530 10 2 МПа, диапазон Едн =(350... 670) 102 МПа, Едеф.н = 170х 102 МПа, диапазон Е деф.н= (90...260) 10 2 МПа.

В пределах диапазона из 300 Е деф, 10 2МПа 100 менения значения Ед опреде ленным образом распределены Рис. 2. Связь динамического модуля Ед и модуля в зависимости от глубины зало деформации Едеф в массиве пород вокруг жения выработки Н (и от свя Ирганайского туннеля занной с ней величины верти 1 - породы Ирганайского деривационного туннеля, На=5 м;

2 - связь, рекомендованная Г.В. Михайловским для пород кальной составляющей естест Гимринского автодорожного туннеля.

венных напряжений Z = H).

* Михайловский Г. В., Новиков Н.Ф., Трубачева А.В. Оценка сейсмическими методами свойств и состояния массива вокруг туннеля // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева / Сборник научных трудов. - 1985. - Т. 182. - С. 95-100.

Для неизмененных пород значения модуля упругости Едн увеличиваются с ростом H, в зоне разуплотнения упругие характеристики деформируемости практически не зависят от глубины (рис. 3).

Ед, МПа Н,м 500 750 z, МПа 15 20 Рис. 3. Связь характеристик деформируемости пород со значениями вертикальной составляющей напряжения (z) и с глубиной (Н):

1 - Едо в зоне разуплотнения;

2 - Едн в сохранном массиве.

Электрометрические исследования Методика работ. Исследования проводились с целью оценить воз можности электрометрии для определения мощности зоны разгрузки ho вокруг выработки и ее изменения во времени. Выполнен электрокаротаж в шпурах сводовой части туннеля.

В работе был использован зонд-КС с разносом питающих электродов АВ = 500 мм, сигнал на приемник поступал с приемных электро дов MN=100 мм и MN/=200 мм. Исследования проводились на трех рабочих диапазонах частот. При этом на диапазоне постоянного тока имело место настолько сильное влияние техногенных помех, что выделить полезный сигнал не представлялось возможным.

При работе на частоте 4,88 Гц приемный сигнал преимущественно устойчив, за редкими исключениями, когда отрицательное влияние оказывают модуляции по частотам работающих в туннеле агрегатов. То же можно сказать и о частоте 625 Гц, на которую редко, но ощутимо оказывала влияние высо кочастотная гармоника помех. Поскольку для пород, характеризующихся удельным электрическим сопротивлением менее 106 Омм, частотная дис персия (на частотах менее 100 кГц) практически отсутствует, то в данном случае можно говорить об измерении величины, а не эф.

Наблюдения показали, что при работе на частотах 4,88 и 625 Гц можно уверенно фиксировать полезный сигнал, поступающий на приемник. При расчете удельного электрического сопротивления используется формула:

n = К, где - величина, устанавливаемая на приемнике в зависимости от выбранного сигнала и отвечающая за размерность шкалы индикатора;

n - показания индикатора;

- значение силы электрического тока, устанавливаемого опера тором на генераторе ( изменяется от 0,5 до 200 мА);

K - геометрический коэффициент зонда, зависящий от взаимного расположения электродов и глубины погружения зонда в отверстие шпура.

Результаты исследований. Поскольку удельная электропроводность зависит от состава пород, их пористости, трещиноватости, от вида за полнителя пор и трещин, то в пределах однородного по составу пласта пород электропроводность, в основном, будет зависеть от трещиноватости, и в сухом массиве, где заполнителем полых трещин является газ, можно ожидать сни жения значений при переходе от повышенно трещиноватых пород к более сохранным.

Электрометрические исследования были проведены на двух участках туннеля, где по визуальной оценке изучаемый комплекс осадочных пород представлен алевролитами, имеющими пологое залегание, а шпурами не были вскрыты литологические контакты.

Электрокаротаж был выполнен в шпурах глубиной до 3 м, распо ложенных в сводовой части выработки под углом 30° к горизонту. Результаты представлены на рис. 4 в виде графиков зависимости (h), на которых от мечается перепад значений (от 130 до 70 Омм) на глубине h = 0,7..1,1 м от контура выработки. При дальнейшем продвижении зонда вглубь шпура сопротивление остается практически неизменным (70 Омм) и соот ветствует сопротивлению сохранных пород. До глубин h = 0,7...1,1 м высокие значения удельного сопротивления соответствуют наиболее трещиноватым, разгруженным породам в приконтурной зоне выработки. Из характера графиков, относящихся к разным датам измерений, можно сделать вывод об увеличении приблизительно на 15... 20 см мощности зоны разгрузки пород в сводовой части выработки за период времени, равный двум суткам.

,, ПК 2965 м ПК 2955 м Ом.м Ом.м 110 90 1 h, см 70 170 h, см 30 70 110 150 50 90 Рис. 4. Распределение значений удельного сопротивления по глубине h на участке Ирганайского туннеля (ПК 2955 и 2965 м) 1 - первичные измерения;

2 - повторные измерения (через 2 суток).

Выводы 1. Геофизические (сейсмоакустические и электрометрические) ис следования, выполненные при проходке Ирганайского напорного туннеля проходческим комплексом «Роббинс», проводились в условиях исклю чительно высокого уровня техногенных помех. Наличие помех затрудняло сейсмоакустические наблюдения и показало невозможность проведения электрокаротажа на постоянном токе. Использование при электрокаротаже переменного тока с частотой 4,88 и 625 Гц позволяло избавляться от помех.

2. В результате сейсмоакустических и электрометрических иссле дований в туннеле выявлено наличие зоны ослабленных пород, прилегающей к контуру выработки, с первоначальной мощностью 1…2 м. Определены скорости упругих волн и динамические характеристики деформируемости в ослабленной зоне и в неизмененных породах. Модель массива, вскрытого туннелем, трактуется как неоднородная. На основе анализа совместных данных статических и динамических исследований сделано предварительное заключение о том, что при статических нагружениях башмаков домкратов «Роббинса» на исследованных участках большая часть деформаций пород относится к слою мощностью около 5 м.

УДК 626/627.001.57:519. Канд. техн. наук Е.Н.Беллендир, инж. Т.Ю.Векшина, канд. техн. наук В.С.Прокопович МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПЛОТИНЫ КОЛЫМСКОЙ ГЭС В ПЕРИОД СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ 1. Исходные данные для построения математической модели напряженно-деформированного состояния плотины Колымской ГЭС Общая характеристика плотины. Колымский гидроузел [1] построен в Магаданской области в условиях резко континентального климата: сред негодовая температура -12 оС, минимальная температура - ниже -60 оС.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.