CC BY
69
УДК 624.131.22
В.Л. Кубецкий
ГУП «НИИМосстрой»
ИССЛЕДОВАНИЕ НАБУХАНИЯ СУЗАКСКИХ ГЛИН
Предложена методика и разработано экспериментальное оборудование, позволяющее с достаточной точностью определять характеристики набухания трещиноватых полускальных грунтов. Представлены результаты экспериментального определения характеристик набухания полускального грунта — сузакской глины, слой которой вмещает туннельные водосбросы Сангтудинской ГЭС-1.
Ключевые слова: туннельный водосброс, полускальный грунт, относительная деформация набухания, давление набухания, монолит грунта.
Особенностью ряда глинистых и полускальных грунтов является значительное изменение объема при изменении влажностных условий (свойство набухания), что необходимо учитывать при строительстве сооружений различного назначения [1, 2].
На значительных участках туннельные водосбросы Сангтудинской ГЭС-1 на р. Вахш в Таджикистане пересекают слой сузакских глин. Сузакские глины относятся к набухающим. В связи с тем, что замачивание массива горных пород будет происходить только после возведения постоянных обделок туннелей и заполнения водохранилища ГЭС, набухание сузакских глин может привести к значительному росту давления грунта (горного давления) на обделку туннелей. Опыт строительства ряда гидротехнических туннелей на Кавказе, в т.ч. безнапорного туннеля Ладжанури ГЭС и туннеля Арпа-Севан, а также анализ опыта проходных горных выработок в аналогичных условиях [1], показывает, что взаимодействие с набухающими грунтами может приводить к разрушению обделки. При строительстве Ладжанурского туннеля перемещение пород внутри выработки достигло 50 см, что привело к разрушению сборной тюбинговой обделки на крупных участках туннеля.
Туннельные водосбросы Сангтудинской ГЭС-1 расположены на правом берегу р. Вахш. Внутренний диаметр туннелей 12,7 м. Длина участка в сузакских глинах 90 м. Глубина заложения туннелей в сузакских глинах — от 50 до 75 м. Основной режим работы туннелей безнапорный.
Сузакские глины серые и зеленовато-серые, в естественном состоянии твердые. По данным Ташгидропроекта, сузакские глины характеризуются следующими физико-механическими свойстваами в образце и массиве: плотность частиц грунта р^ = 2,69 г/см3, плотность грунта р = 2,4...2,47 г/см3, пористость 8,2...10,8 %, предел прочности на одноосное сжатие 13,1.31 МПа, при водонасыщении образцы разрушаются на камневатые обломки, модуль упругости 30...34-103 МПа, скорость прохождения продольной ультразвуковой волны в зонах выветривания и разгрузки VР = 1600 м/с, в зоне неизмененных пород — VР = 2500 м/с, коэффициент отпора ^ =15 МПа/м, коэффициент крепости по Протодьяконову / = 1,5. Модуль деформации в массиве Е = 0,23 •Ш3 МПа, угол внутреннего трения ф = 0,58, удельное сцепление частиц грунта С = 0,035 МПа.
Исследования, выполненные в соответствии с рекомендациями [3], показали, что сузакские глины обладают значительными реологическими свойствами [4].
Анализ показал, что методика определения давления набухания для трещиноватых полускальных грунтов, к которым с полным основанием могут быть отнесены сузакские глины, не разработана. Это обстоятельство потребовало разработать специальную методику и экспериментальное оборудование для ее реализации.
В связи с тем что провести определение характеристик набухания в соответствии с требованиями ГОСТ [5] не представлялось возможным, так как невозможна подготовка предоставленного образца заданной формы и размеров для трещиноватых полускальных грунтов в большинстве практических случаев, разработанная методика направлена на испытание образца (монолита) произвольной формы. Средний размер отобранных для испытаний монолитов 0,5 х 0,4 х 0,3 м. Оценка сохранности монолитов выполнялась на основе использования метода ультразвукового просвечивания и определения скорости прохождения продольной ультразвуковой волны Ур. Принципиальной особенностью разработанной методики является максимальное приближение условий проведения опытов к условиям взаимодействия бетонной обделки с массивом.
С целью практической реализации предложенной методики разработано и изготовлено специальное оборудование. Принципиальная схема стенда для исследования набухания трещиноватых полускальных грунтов представлена на рис. 1, а на рис. 2—4 подготовка монолита к испытаниям и вид стенда в процессе испытания. Последовательность
6 подготовки и проведения испытания
5 |—, |—|
Рис. 1. Схема стенда для определения давления набухания: 1 — монолит грунта; 2 — металлический лоток; 3 — цементно-песчаная обойма; 5 — плиты пресса; 6 — шарнир; 7 — металлические плиты; 8 — гидравлический домкрат ДГ-100; 9 — измерительная система; 10 — дренажные скважины
конкретного монолита полускальных грунтов состоит из следующих этапов: изолированный пленкой из эпоксидного клея монолит помещается в металлический лоток;
пазухи между лотком и монолитом заполняются цементно-песчаным раствором; 5
на верхней и нижней поверхности монолита, с целью их выравнивания и устройства дренажных скважин, заливаются плиты из цементно-песчаного раствора;
закрепленный в лотке монолит грунта помещается между плитами пресса с шарнирной опорой;
для создания давления на монолит используется гидравлический домкрат ДГ-100 с системой стабилизации давления;
монтируется измерительная система для замера вертикальных перемещений.
Рис. 2. Стенд в процессе испытания
Рис. 3. Монолит грунта в процессе подготовки опыта
Рис. 4. Общий вид подготовленного для испытаний монолита грунта с дренажными
скважинами
В зависимости от заданной программы опыты проводятся следующим образом:
гидравлическим домкратом создается предварительное, в заданных пределах, давление на монолит грунта;
давление поддерживается постоянным до достижения стабилизации перемещений;
после достижения стабилизации к монолиту подается вода;
в зависимости от программы опытов выполняется либо замер деформаций набухания грунта при постоянном давлении, либо замер давления набухания, обеспечивающий исходный размер монолита до его замачивания;
опыты считаются законченными после достижения стабилизации давления набухания или деформации набухания;
опыты проводятся либо при различной величине предварительного обжатия, либо при заданной величине деформации набухания, что позволяет оценить влияние данного фактора.
Экспериментальное определение параметров, характеризующих набухание грунта, является многофакторной, сложной и объемной задачей. В рассматриваемом случае исследование ограничено условиями, которые в наиболее вероятной степени могут иметь место при взаимодействии обделки туннеля принятой конструкции с массивом. Крайними случаями проявления набухания грунтов в массиве являются: набухание свободной поверхности массива грунта при замачивании (максимальная величина деформации набухания, отвечающая случаю отсутствия крепления туннеля или случаю, когда обделка не оказывает сопротивления развитию деформаций набухания) и давление набухания равно нулю;
давление набухания на ограждающую конструкцию при полном отсутствии возможности проявлений набухания, максимальная величина давления набухания, проявляющаяся при взаимодействии абсолютно жесткой обделки с массивом.
В общем случае взаимодействие обделки с массивом находится между этими крайними условиями.
Принятая в настоящем исследовании программа основывается на следующих положениях:
на первом этапе каждого опыта с целью достижения напряженного состояния, близкого к естественным условиям, осуществляется нагружение монолита нормальной нагрузкой 2,5 МПа, что соответствует величине природного напряженного состояния сузакских глин в массиве в районе расположения туннельных водосбросов. В связи с тем что сузакские глины обладают значительной ползучестью [4], в опытах осуществлялось длительное выдерживание данной нагрузки с целью достижения стабилизации деформаций ползучести. Анализ опытных данных показал, что для достижения 85.90 % стабилизации деформаций ползучести у трещиноватых сузакских глин при действии нормального давления требуется 18.20 сут;
после достижения стабилизации деформаций на первом этапе выполнялось снижение давления до 0,5 МПа, что в определенной степени соответствует реальным условиям, когда в результате проходческих работ происходит изменение напряженного состояния массива. Анализ показал, что для достижения стабилизации деформаций при разгрузке достаточно 5-6 сут;
на следующем этапе выполнялось замачивание монолита и проводились замеры деформаций набухания или давления набухания.
С целью получения зависимости, характеризующей набухание сузакских глин при различных условиях взаимодействия с обделкой, была принята следующая программа проведения опытов:
1-я серия — относительная деформация набухания в данной серии опытов была ограничена 0,25 %, т.е. при достижении деформацией набухания данной величины дальнейшей ее рост не допускался, это достигалось увеличением давления в домкрате таким образом, чтобы вертикальные перемещения монолита находились в заданных пределах;
2-я серия — относительная деформация набухания ограничивалась 0,5 %, и определялось давление набухания, необходимое для поддержания заданной величины деформации;
3-я серия — относительная деформация набухания ограничивалась 0,75 %, и определялось давление набухания, необходимое для поддержания заданной величины деформации.
Кроме того, нами выполнено две серии опытов, в которых были определены максимальные величины относительной деформации набухания сузакской глины при замачивании свободной ненагруженной поверхности массива и давления набухания при полном отсутствии возможности проявления деформаций набухания.
На рис. 5 приведена зависимость изменения относительной деформации набухания е^ во времени в одном из опытов при отсутствии давления на свободную поверхность монолита. В данном опыте была достигнута максимальная величина 10-
1
10 11 12
Рис. 5. Зависимость относительной деформации набухания при увлажнении во времени при рш = 0
На рис. 6 представлена зависимость изменения давления набухания во времени при недопущении развития деформаций набухания. При данных условиях давление набухания рш превышает 4,0 МПа.
Рис. 6. Зависимость изменения давления набухания во времени при е^ = 0
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что сузакские глины характеризуются явно выраженными свойствами набухания, что необходимо учитывать при совместной работе с конструкциями различных сооружений.
Среднее значение относительной деформации набухания сузакской глины по серии опытов составило еш = 0,011. Это означает, что при замачивании массива сузакской глины на глубину, например, 10 м, подъем ее поверхности может достигать 11 см.
На рис. 7 представлены характерные результаты экспериментальных исследований, в которых величина относительных деформаций набухания была ограничена 0,25 %. В таблице представлены результаты опытов для стабилизированного состояния при различных граничных условиях. Обобщающая зависимость между стабилизированным значением относительной деформации набухания и величиной давления набухания представлена на рис. 8.
Р„. МПа
1 Знмичи вагин.1
0 10 20 30 40 50 60 70
Рис. 7. Изменение нормального давления набухания в процессе замачивания при е^ = 0,25 %
Результаты опытов по определению давления набухания при различных граничных условиях
Серия опытов 1 2 3
Р % дош /и 0,25 0,5 0,75
№ опыта 3 7 9 2 4 5 1 6 10
Давления набухания, МПа 1,8 1,5 1,7 2,5 0,9 1,4 1,21 0,65 1,05
Средние значение давления набухания в серии, МПа 1,67 1,60 0,97
Р„,.,МПа
© \ Ч ®
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Рис. 8. Зависимость между значением относительной деформации набухания и величиной давления набухания при различных граничных условиях для стабилизированного состояния: ©— осредненные значения в конкретной серии опытов
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве ЫгС
После завершения экспериментов монолиты были разобраны. Анализ показал, что ощутимое влияние замачивания проявились только на открытой поверхности монолитов и на контактах трещин в массиве, где наблюдалось шелушение породы. Порода в монолитных блоках между трещинами практически не претерпела видимых изменений.
Выводы. 1. Разработана методика и экспериментальное оборудование, позволяющее с достаточной степенью точности определять характеристики набухания трещиноватых полускальных грунтов.
2. Выполненный комплекс экспериментальных исследований подтвердил, что сузакские глины следует относить к набухающим грунтам, и этот фактор необходимо учитывать в проекте конструкций обделок туннельных водосбросов.
3. В случае изменения влажностного режима сузакских глин при свободной поверхности относительная деформация набухания достигает 1,1 %. Это означает, что при замачивании массива на глубину, например, 10 м, возможное смещение внутри туннеля может достигать 11 см, а для абсолютно жесткой обделки давление набухания может превышать 4 МПа.
Автор выражает благодарность научному сотруднику МГСУ И.М. Безгодову, принимавшему активное участие в подготовке экспериментального оборудования и проведении экспериментальных исследований.
Библиографический список
1. Борьба с пучением пород в горных выработках / С.Д. Сонин, М.Н. Шейхет, И.Л. Черняк, В.С. Лукичев. М. : Недра, 1966.
2. Сорочан Е.А. Строительство сооружений на набухающих грунтах. М. : Стройиздат, 1989.
3. Кубецкий В.Л., Сапегин Д.Д., Кривоногова Н.Ф. Рекомендации по определению характеристик реологических свойств скальных и полускальных грунтов методом кольцевого нагруже-ния. II-43—89. ВНИИГ, 1990.
4. Кубецкий В.Л. Результаты исследования реологических свойств сузакских глин // Тр. междунар. геотехнического симпозиума, г. Душанбе, Таджикистан. 2005.
5. ГОСТ 24143—80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки. М., 1987.
Поступила в редакцию в марте 2012 г.
Об авторе: Кубецкий Валерий Леонидович — доктор технических наук, профессор, руководитель центра мониторинга строительства зданий и сооружений, оснований и фундаментов, Научно-исследовательский институт московского строительства (ГУП «НИИМосстрой»), г. Москва, 119192, Винницкая, д. 8, fundament2009@yandex.ru.
Для цитирования: Кубецкий В.Л. Исследование набухания сузакских глин // Вестник МГСУ. 2012. № 4. С. 56—62.
V.L. Kubetskiy
RESEARCH OF SWELLING OF SUZAKH CLAYS
In the course of construction of Sangtudinsky hydropower plant-1 on the River Vakhsh, it was deemed necessary to identify clay swelling properties in the event of alterations of the humidity mode of fructured half-rock soils, or the Suzakh clay, that accommodated tunnel-shaped water outlets within a section that was 75 meters long. The depth of tunnels was about 100 m. Any interaction with swelling soils could lead to destruction of the tunnel lining. Suzakh clays demonstrated the following physical and mechanical properties: density of particles of soil ps = 2,69 g/cm3; soil density p = 2.40—2.47 g/cm3; porosity of 8.2—10.8 %; ultimate resistance to uniaxial compression = 13.1 — 31.0 MPa. Water saturated clay samples disintegrated into cloddy fragments; the rate of a longitudinal ultrasonic wave in the area of unaltered soils was equal to VP = 2500 m/c; repulse coefficient k0 was equal to 15 MPa/m; solidity coefficient (according to Protodyakonov) was equal to 1,5; modulus of deformation in the massif was equal to 0.23 х10 MPa. The author proposed a methodology and designed a pilot set of equipment units designated for the identification of the swelling proper-
ties of fractured half-rock soils. Results of the pilot unit operation are presented in the article. Swelling properties are based on the monolith testing results. The programme contemplated a set of experiments held in various limit states on the surface of monoliths. Dependence between the swelling pressure and the swelling deformation in the course of water saturation was identified. The experiment demonstrates that alterations of the humidity mode of free surface Suzakh clays cause the relative deformation of swelling up to 1.1 %, and if the lining is rigid, the swelling pressure can exceed 4 MPa.
Key words: tunnel-shaped water outlet, half-rock, relative deformation of swelling, pressure of swelling, soil monolith.
References
1. Sonin S.D., Sheykhet M.N., Chernyak I.L., Lukichev V.S. Bor'ba s pucheniem porod v gornykh vyrabotkakh [Control of Soil Heaving in Mine Openings]. Moscow, Nedra Publ., 1966.
2. Sorochan E.A. Stroitel'stvo sooruzheniy na nabukhayushchikh gruntakh [Building of Structures on Swelling Soils]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1989.
3. Kubetskiy V.L., Sapegin D.D., Krivonogova N.F. Rekomendatsii po opredeleniyu kharakteristik reologicheskikh svoystv skal'nykh i poluskal'nykh gruntov metodom kol'tsevogo nagruzheniya [Recommendations Regarding Identification of Characteristics of Rheological Properties of Rocks and Half-rocks by Means of Circular Loading]. VNIIG Publ., 1990.
4. Kubetskiy V.L. Rezul'taty issledovaniya reologicheskikh svoystv suzakskikh glin [Results of Research of Rheological Properties of Suzakh Clays]. Dushanbe, Tadjikistan, 2005.
5. GOST 24143—80. Grunty. Metody laboratornogo opredeleniya kharakteristik nabukhaniya i usadki [State Standard 24143—80. Soils. Methods of Laboratory-based Identification of Characteristics of Swelling and Shrinkage Properties]. Moscow, 1987.
About the author: Kubetskiy Valeriy Leonidovich, Scientific Research Institute of Moscow Construction (NII Mosstroi), 8 Vinnitskaya St., Moscow, 119192, Russian Federation; funda-ment2009@yandex.ru.
For citation: Kubetskiy V.L. Issledovanie nabukhaniya suzakskikh glin [Research of Swelling of Suzakh Clays]. Vestnik MGSu [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 4, pp. 56—62.
