Изучение метода уплотнения лёссовых грунтов подводным взрывом Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

do:

УДК 351.02______________________________________________________________

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА УПЛОТНЕНИЯ ЛЁССОВЫХ ГРУНТОВ

ПОДВОДНЫМ ВЗРЫВОМ

Калачук Татьяна Григорьевна - кандидат технических наук, доцент кафедры городского кадастра и инженерных изысканий, Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, [email protected]

Ширина Наталья Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры городского кадастра и инженерных изысканий, Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова

Аннотация: статья посвящена изучению применения метода подводного взрыва для среднепросадочных грунтов с целью выявления оптимальных параметров, а также рассмотрению работы уплотненного основания при воздействии статических и динамических воздействий. Метод подводного взрыва применяется в просадочных лессовых грунтах, рыхлых песчаных и пылевато- глинистых грунтах. Сущность метода заключается в использовании энергии взрыва в водной среде в качестве ударного воздействия на лессовое основание, в результате которого физико-механические характеристики просадочных грунтов изменяются.

Ключевые слова: замачивание, подводный взрыв, лессовые грунты, плотность грунта.

Введение.

Яри устранении просадочных свойств лёссовых грунтов предварительным замачиванием действенность метода проявляется лишь с некоторой глубины, т.к. просадка возникает тогда, когда природное давление от собственного веса грунта способна преодолеть его структурную прочность. При этом верхняя часть толщи порядка 5...17 м, как правило, остается недоуплот-ненной. Рассмотренный выше метод трамбования эффективен до глубины 2,5 м, кроме того, он требует обязательного наличия определенных механизмов, позволяющих производить уплотнение. При применении данного способа в подготовке оснований под водопропускные сооружения, имеющих значительную площадь фундаментов, увеличиваются сроки производства работ.

Указанные обстоятельства стимулировали и стимулируют поиск новых, более совершенных методов уплотнения лессовых просадочных грунтов, особенно в применении к гидротехническому строительству. Как известно, много и продуктивно в этом направлении работал Среднеазиатский исследовательский институт ирригации им. В.Д. Журина (САНИИРИ), и именно там, в

1965 году, под руководством Х.А. Аскарова был разработан и опробован в полевых условиях новый способ стабилизации лёссовых просадочных грунтов с помощью подводного взрыва. За прошедшее время подводный взрыв нашел применение при уплотнении водопропускных объектов в Узбекистане, Т аджикистане, Туркмении и Украине.

Настоящие исследования имели цель изучить применение метода для среднепросадочных грунтов, выявить оптимальные параметры подводного взрыва в пролювиальны-ех отложениях, а также рассмотреть работу уплотненного основания при воздействии статических и сейсмовзрывных нагрузок.

Сущность метода заключается в использовании энергии взрыва в водной среде в качестве ударного воздействия на лёссовое основание, в результате которого изменяются физико-технические свойства просадочных грунтов (уменьшается просадочность, пори ст ость, фильтрационная способность, увеличивается плотность и улучшаются прочностные свойства).

Размещение зарядов взрывчатого вещества (ВВ) производится равномерно по всей площ ади основания по определенной сетке, при этом заряды располагаются на определенном расстоянии от дна котлована.

(сс) Ct) Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.

Известно, что взрыв - это мгновенное химическое разложение вещества, сопровождающееся образованием сильно нагретых газов, освобождающихся с огромным давлением. Характер взрывных волн и степень их воздействия на окружающую среду зависят от параметров взрыва, а также сжимаемости среды.

Учитывая характерные в этом плане, особенности воды, которая практически не сжимается, её (слой между зарядами и дном) используют в качестве «подушки» для равномерного распределения взрывной волны над грунтовой поверхностью.

В свою очередь, достаточная мощность слоя воды выше зарядов необходимый эффект камуфлета взрыва. Иначе говоря, столб надзарядной воды должен «вместить» в себя образовавшуюся газовую полость, уменьшив выброс на поверхность до минимума. КПД подводного взрыва увеличивается с развитием мощности вышележащего слоя, который по опыту предыдущих исследований должен быть не менее 1,5...2,0 м.

Влияние степени влажности на качество уплотнения данным методом можно объяснить как причинами, присущими для всех способов механического уплотнения, так и другими причинами, возникающими в результате специфичности воздействия взрывной войны. Дело в том, что при повышенном содержании воды в порах, взрывное воздействие в значительной мере воспринимается поровой водой, и как следствие этого, степень уплотнения при этом весьма низка. в случае недостаточной влажности, уплотнение почти полностью зависит от сжимаемости скелета, которая в данных влажных условиях довольно низка (высокая структурная прочность, недостаточное скольжение частиц относительно друг друга и т.п.).

Оптимальная влажность (Sz = 0,65...0,80) создает необходимые условия для благоприятного распределения давлений взрывной волны между скелетом грунта и поровой водой, обеспечивает достаточное снижение прочности структуры и хорошее скольжение грунтовых частиц, что в комплексе приводит к наиболее качественному уплотнению. Также важное значение играет определение оптимальной силы ударной волны по фронту сжатия, которая зависит от расхода ВВ на

1 м2 схемы размещения зарядов, имеющих региональный характер.

Исследования метода производились в двух опытных котлованах размерами в плане 15* 2 0 м и глубиной h = 3,0 м. Прежде всего, проводилось замачивание лёссовой толщи посредством заполнения котлованов водой. Контроль влажности определялся по образцам, отбираемым из скважин через каждый метр до глубины 6,0 м от дна котлована. По достижении влажностью оптимальных значений замачивание прекращают и котлован выдерживают некоторое время для подсыхания верхнего слоя.

Заряды ВВ (патронированный аммонит) в н е о б ходимом количестве помещались в полиэтиленовые мешочки для предотвращения попадания в вещество влаги.

Эксперимент проводился на четырех делянках, классифицируемых по размерам сетки размещения зарядов и расхода ВВ. Для крепления мешочков с аммонитом в дно котлована вбивались стальные штыри возвышающиеся над грунтом на 0,5...0,6 м. Таким образом, водяная подушка между основанием и зарядами составляла 0,45...0,5 м.

Для определения перемещений поверхности внутри котлована и за его пределами было предусмотрено устройство серии поверхностных марок.

После заполнения котлованов водой столб воды над зарядами составляет 1,8...2,0 м.

Взрывание зарядов производилось сразу после достижения водой проектного уровня. После взрыва разрабатывались шурфы глубиной до 6,0 м с отбором монолитов через каждый метр. По отобранным монолитам в лаборатории определялись механические и прочностные характеристики уплотненного грунта.

Визуальный осмотр котлованов после взрыва обнаружил возникновение двух рядов трещин по откосам и прилежащим к ним поверхностям за контуром котлованов. Ширина трещин доходила до 0,4 м, а переход берегов трещины - 12...15 см.

Оседание поверхности дна котлованов составило: на делянке «А» - Ah = - 0,21 м; на делянке «В» - Ah = - 0,34 м; на делянке «Г» - Ah = - 0,23 м; на делянке «Д» - Ah = = - 0,32 м.

Технические параметры взрыва по делянкам

Таблица 1

Делянка Размер сетки a*b, м Вес одного заряда, кН Общее количество зарядов, шт. Расход ВВ на 1 м2, кН/м2 Общий расход ВВ, кН

А 1,0х1,0 0,12 126 0,12 15,1

В 1,0х1,0 0,16 126 0,16 20,2

Г 0,75x0,75 0,10 170 0,20 17,0

Д 1,40x1,40 0,16 54 0,08 8,6

X = 476 X = 60,9

Рис. 1. Подводный взрыв Относительная просадочность, имевшая значение Зрп = 0,041...0,047 при давлении Р = 0,2 МПа, снижена до значений для пятиметровой толщи дпр = 0,004...0,014. Сжимаемость значений дпр = 0,028...0,039 уменьшалась до величин др = 0,006...0,016.

Т.е. можно с уверенностью сказать, что просадочные свойства в рассматриваемой толще ликвидирована полностью.

Изменение прочностных характеристик «С» и «ф» можно проследить по табл. 2.

Таблица 2

Изменение прочностных характеристик

грунта

Прочностные характеристики при влажности W = 0,16...0,23 До взрыва После взрыва

С, МПа 0,012...0,016 0,021...0,032

ф, град 17°...19° 21°30'...24°

Исследования подводного взрыва, как способа уплотнения лёссовых грунтов исследуемого района (среднепросадочные грунты) показали:

Применение подводного взрыва для подготовки оснований водопропускных сооружений (U> 44...45 %) является высокоэффективным методом при необходимости уплотнения грунтов до глубины 5...6 м;

При необходимости устранения просадочных свойств на всю толщу (hm0Mm. > 8,0 м) подводный взрыв необходимо применять в сочетании с предварительным замачиванием;

Необходимая степень уплотнения будет достигнута при соблюдении оптимальной влажности (SZ = 0,70...0,80);

Наиболее оптимальные для исследуемого района параметры подводного взрыва:

- толщина водяной подушки 0,45...0,5 м;

- мощность столба воды над зарядами 2,0...2,2 м;

- размеры сетки размещения зарядов при расходе ВВ - С = 0,2 кН/м2, a*b = 1,4х1,4 м и С = 0,16 кН/м2, a*b = 1,0х1,0 м;

5. Радиус опасной (с точки зрения сейсмичности) зоны при проведении подводных взрывов можно определить по формуле:

Ro.3.= lllJUog

где g - общий вес ВВ, кН.

Общая величина деформации с 25 см снижена до 2,6 см.

Модуль деформации по данным натурных испытаний уплотненных грунтов с помощью жесткого стального круглого штампа составил E = 13,6 МПа на глубине 0,5 м от дна котлована, E =12,6 МПа на глубине 1,0 м и E =13,5 МПа на глубине 2,0 м. До взрыва значения E было соответственно равны: 7,0; 6,7 и 7,4 МПа, т.е. деформативная способность была уменьшена почти в 2 раза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Черныш А.С., Губарев С.А. Учет реологических особенностей грунта // Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №1. С. 5-7.

2. Калачук Т.Г., Кара К.А. Влияние свойств грунта на балльность площадок подземных сооружений // Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №2. С. 13-16.

3. Черныш А.С., Губарев С.А. Развитие упругих деформаций лессовых грунтов в зависимости от влажности // Вектор ГеоНаук.

2018. Т.1. №2. С. 17-20.

4. Черныш А.С., Губарев С.А. Рекомендации по уплотнению лессовых грунтов в условиях отрицательных температур // Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №4. С. 10-14.

REFERENCES

1. Chernysh A.S., Gubarev S.A. Uchet reologicheskih osobennostej grunta // Vektor GeoNauk. 2018. T.1. №1. S. 5-7.

2. Kalachuk T.G., Kara K.A. Vliyanie svojstv grunta na ball'nost' ploshchadok pod-zemnyh sooruzhenij // Vektor GeoNauk. 2018. T.1. №2. S. 13-16.

3. Chernysh A.S., Gubarev S.A. Razvitie uprugih deformacij lessovyh gruntov v zavisi-mosti ot vlazhnosti // Vektor GeoNauk.2018. T . 1 . №2 . S. 17-20.

4. Chernysh A.S., Gubarev S.A. Rek-omendacii po uplotneniyu lessovyh gruntov v usloviyah otricatel'nyh temperatur // Vektor GeoNauk. 2018. T.1. №4. S. 10-14.

STUDYING THE METHOD OF LOESS SOILS COMPACTION BY MEANS OF UNDERWATER EXPLOSION

Kalachuk T.G., Shirina N. V.

Annotation: the article deals with studying the use of underwater explosion method for semicollapsible soils in order to determine the optimal parameters and considers the operation of a compacted base under the action of static and dynamic loads. The underwater explosion method is used for collapsible loess soils, soft sandy soils and powdery clay soils. The method consists in using the explosive energy in water medium as an impact action on the loess base, which alters the physical and mechanical properties of collapsible soils.

Key words: soaking, underwater explosion, loess soils, soil density.

© Калачук Т.Г., Ширина Н.В., 2019

Калачук Т.Г., Ширина Н.В. Изучение метода уплотнения лёссовых грунтов подводным взрывом //Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №1. С. 5-8.

Kalachuk T.G., Shirina N.V., 2019. Studying the method of loess soils compaction by means of underwater explosion. Vector of Geosciences. 2(1): 5-8.