Определение прочностных характеристик пород намывных и естественных оснований сухих отвалов Лебединского и Стойленского ГОКов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© С.А. Пунсвский, А.Ю. Панфилов, Ю.А. Климашсвский, 2008

УДК 622.271

С.А. Пуневский, А.Ю. Панфилов, Ю.А. Климашевский

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОД - НАМЫВНЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ СУХИХ ОТВАЛОВ ЛЕБЕДИНСКОГО И СТОЙЛЕНСКОГО ГОКов

Семинар № 1

Л ля оценки устойчивости откосных сооружений хвосто-хранилищь Лебединского и Стойленского ГОКов, а также прогноза несущей способности намывных и естественных тонкодисперсных отложений с позиции размещения на них отвальных насыпей. Выполнен комплекс определения физико-механических свойств грунтов, относящихся к слабейшим инженерно-геологическим элементам.

В июле 2006 г. были отобраны пробы для лабораторных испытаний из намывных отложений ядерной зоны гидроотвала № 1 ЁГОКа. Перекрытые песками глинистые отложения извлекались из шурфа с помощью бура геолога. Кроме намывных отложений были также отобраны из шурфов и скважин в окрестности прудов № 1 и № 2 по трассе канавы для отвода фильтрационных вод из хвостохрани-лища ЁГОКа. Кроме отбора проб было выполнено зондирование естественных оснований сухих отвалов Лебединского и Стойленского ГОКов.

Зондирование выполнялось комбинированным зондом МГГУ-ДИГЭС [3] с помощью установки гидрогеоме-ханического контроля УГК-1 конструкции Ю.И.Кутепова на глубину до 5-6 м. Отбор проб осуществлялся из шурфов и из скважин, пройденных с

помощью бура геолога до глубины 5 м. Основной объем испытаний выполнялся для глинистых отложений основания (глины иловатые), залегающих в примерном диапазоне глубин 2.5-5 м. Эти отложения согласно данным предшествующих изысканий, обладают минимальными характеристиками сопротивления сдвигу.

На рис. 1 даны колонки зондирования в окрестности 2-х водоемов по трассе канавы. Зондирование показало, что общее сопротивление вращательному срезу глинистых отложений основания в диапазоне глубин 2-4 м не превышает 0.5-0.6 кг/см2, сопротивление задавливанию зонда - 6 кг/см2 (1-й водоем) и 3 кг/см2 (2-й водоем). При этом избыточного (сверх гидростатического) порового давления в ненагруженном отвалом основании зафиксировано не было как в зондировочных скважинах, так и в стационарном пункте замера порового давления. Различие в значениях сопротивления пенетрации определяются повышенным обводнением основания близ 2-го водоема (уровень воды расположен менее чем на 1 метр от поверхности).

По данным зондирования (величине сопротивления пенетрации я3, МПа) примерно оцениваются значения характеристик сопротивления

Н, т 0.0

\

\

\ / > <

\

1

‘о

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18

сдвигу глинистых грунтов (сцепление С и угол внутреннего трения ф) [5]. В таблице обобщены значения ф и С для глин и суглинков аллювиального, делювиального, флювиогляциального и гля-циального происхождения. Нормативный модуль деформации Е = 7я3.

Сопротивление сдвигу глинистой водонасыщенной породы [1, 2]

----т

—р*

кг/см2

■Ре

-------т кг/ см

— р*

Рис. 1. Колонки зондирования скважин на пруду № 1 и № 2

т= с’ + К - Ри

(1)

где с и ф - сцепление и угол внутреннего трения для консолидированной породы (определены по эффективным напряжениям); ст„ - полное нормальное напряжение; ри - поровое давление (избыточное).

Как видно из выражения (1), по мере уплотнения и уменьшения давления

Н, т

qз, МПа Ф, градус С, кПа q3, МПа Ф, градус С, кПа

0.25 12 13 3.5 23 53

0.5 16 18 4.0 24 58

1.0 17 24 4.5 25 64

1.5 18 30 5.0 26 70

2.0 19 36 5.5 27 76

2.5 20 41 6.0 28 82

3.0 22 47

в поровой воде сопротивление сдвигу возрастает, приближаясь к величине сопротивления полностью стабилизированной породы. Этим обстоятельством в значительной мере объясняется практический интерес к определению максимальной величины порового давления и исследованию изменений его во времени. Характерное для массива сложное напряженное состояние пород можно моделировать в лабораторных условиях на стабилометрах, которые по принципу работы разделяют на гидростатический и компрессионный типы [2].

Образцы глинистых пород основания испытывались на приборах ВСВ-25, КПр-1 и на приборах трехосного сжатия компрессионного типа УСВ-2 (универсальный стабилометр ВИО-ГЕМ конструкции Н.П.Верещагина). Испытания выполняются в соответствии с изданными ВИОГЕМ методическими указаниями [4], а также ГОСТ 12248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения прочности и деформируемости».

Стабилометр УСВ-2 относится к компрессионному типу, т.е. образец высотой 10 см и диаметром 5 см сжимается в нем без возможности бокового расширения до достижения заданного вертикального давления. При определении показателей прочности образец доводят до разрушения, увеличивая вертикальную нагрузку при постоянном боковом давлении или уменьшая боковое давле-

ние при постоянном вертикальном. Эти операции возможны благодаря наличию в стабилометре специального регулятора давления, позволяющего производить снижение давления небольшими ступенями по 0.05-0.10 кг/см2. Боковое расширение образца замеряется по объему вытесненной из гидравлической камеры воды, которая поступает в стеклянную измерительную трубку (волюмометр).

При лабораторных испытаниях на сдвиг в приборах плоскостного среза и стабилометра ставилась задача максимального учета реального напряженного состояния намывного массива.

После предварительного уплотнения под бытовыми нагрузками (ст„=1 кг/см2) образцы догружались в диапазоне ДР2 = 1-4 кг/см2 (0.1-0.4 МПа), имитирующем приложение внешней нагрузки к основанию. Затем производились быстрые сдвиги в приборах плоскостного среза или разрушение образцов в стабилометре по закрытой схеме (без оттока воды из образца).

В результате испытаний нормально-уплотненных образцов на приборах плоскостного среза получены следующие параметры уравнения сопротивления сдвигу для ядерной зоны гидроотвала № 1 (12 испытаний): ф = 160, с = 4 тн/м2, для глинистого слоя в основании головной дамбы хвостохранилища ЁГОКа (15 испытаний) ф = 130, с = 1.3 тн/м2.

На стабилометре УСВ-2 было выполнено 9 консолидированно-недре-нированных испытаний для ядерной зоны гидроотвала № 1 и 12 для иловатых глинистых пород естественного основания в окрестности пруда фильтрационных вод у головной дамбы хвостохранилища ЁГОКа.

В результате испытаний по закрытой схеме (без оттока воды из образца) получено для намывных глинистых отложений ядерной зоны гидроотвала № 1 ф = 130, с = 3.4 тн/м2, для глинистого слоя в основании головной дамбы хвостохранилища ЁГОКа ф = 140, с = 1.7 тн/м2

Закрытая схема моделирует работу массива при быстром росте нагрузки и затрудненной фильтрации, т.е. в наиболее тяжелых условиях. Поровое давление имеет значительную величину; измерение его возможно в течение всего опыта. Такие условия соответствуют условиям нейтрального сдвига.

Определения по закрытой схеме дают самое низкое расположение предельной огибающей Мора, т.е. наименьшие значения характеристик прочности. При проектировании по этим характеристикам обеспечивается устойчивость сооружения в самых опасных условиях нагружения. Проведение испытаний по закрытой схеме возможно только на стабиломет-рах, тогда как эффективный сдвиг (при нулевом поровом давлении) может быть осуществлен и на других приборах. Производственное испытание по закрытой схеме длится, как правило, не больше 10 мин.

Открытая схема воспроизводит условия работы грунта при хорошем дренировании и медленном росте нагрузки. В этих условиях возникающее поровое давление сравнительно быстро рассеивается, и вся нагрузка воспринимается практически скеле-

том грунта (эффективный сдвиг). Испытания по открытой схеме дают наиболее высокие показатели прочности грунта. В этом смысле испытания по закрытой и открытой схемам определяют соответственно нижнюю и верхнюю границы области возможных положений предельной огибающей. Испытания по открытой схеме позволяют получать данные об изменениях объема грунта в процессе опыта, а также характеристику зависимости между напряжениями и деформацией грунта. Проведение испытаний по открытой схеме вследствие длительности процесса консолидации требует значительно больших затрат времени, чем испытания по закрытой схеме. Скорость проведения таких испытаний определяется в основном водопроницаемостью исследуемых грунтов. Обычно оно лежит в пределах от 0.5 до трех суток.

Основным преимуществом трехосных испытаний перед другими методами лабораторных испытаний сопротивления грунтов сдвигу является возможность более правильного воспроизведения природного напряженного состояния грунта и условий его работы в сооружениях. При трехосном сжатии на образец грунта действует не только вертикальная нагрузка, но и боковые нагрузки ст2 = ст3 , величина которых создается независимо от вертикальной нагрузки. Весьма существенным является возможность измерения порового давления, возникающего в процессе нагружения и изменяющегося во времени. Из всех перечисленных методов трехосное сжатие является единственным методом, позволяющим испытывать грунт по закрытой системе, т. е. без оттока воды из образца в процессе опыта, а также с определением объема поступающей или выходящей из образца воды. Предельная кривая Мора находится как огибающая кругов Мора,

Рис. 2. Определение сопротивления сдвигу в эффективных напряжениях (р=20о, Ся0.25 кг/см2)

отвечающих разрушению грунта. Для построения круга Мора на оси абсцисс откладывают максимальное и минимальное главные напряжения Ст1 и стз и на их разности, как на диаметре, строят окружность. Если для каждого круга Мора (каждого испытания) определено поровое давление, то может быть построена предельная огибающая в эффективных напряжениях (рис. 2).

В ходе компрессионных испытаний фиксировалась стабилизированная осадка образцов под различными ступенями уплотняющей нагрузки (ДР=0.05-0.1 МПа) и через относительную осадку ДЬ I Ь рассчитывались значения е^р) по формуле

е = е-Дт(1+е-1) (2)

п

Начальный коэффициент пористости ео (при Р=0) определялся по формуле

(1 + Ж) р

и п

є = — =-----

0 и 1 -п

-1.

Р

(3)

При обработке результатов трехосных испытаний предельную оги-

бающую (в данном случае прямую) по данным трехосного сжатия обычно находят графически как общую касательную к ряду кругов Мора. Параметры этой прямой могут быть вычислены аналитически. При наличии двух испытаний (двух кругов Мора) используют формулы

81П р =

Я2 - Яі

(4)

где К - радиус круга Мора, х - координата центра круга Мора;

СТі -СТз (5)

Я

2

Я2 =-

2

г =^і_____^3; г =^і____

•Д'і ^ Л, 2

2

Я

(6)

(7)

С0 = 1 х1%р.

008 р

При наличии трех и более испытаний параметры прямой следует находить методом наименьших квадратов. В этом случае

tgр =

А -1

24а

(8)

х2 - х1

24л

(9)

n n

nZaia3 -Zai Хаз где A = —1---------------------1-, (10)

nZa32 -I Хаз

1 V 1

n n n n

Хаз2 Ха1 -Хаз Ха1аз

11 11

(11)

Заключение

Полученные данные о прочностных характеристиках глинистых отложений были использованы для оценки несущей способности ядерной зоны гидроотвала № 1 и в расчетах устойчивости головных дамб хвосто-хранилищ с учетом замеров порового давления.

На приборах плоскостного среза и трехосного сжатия определялись

прочностные характеристики намывных глинистых отложений ядерной зоны гидроотвала № 1 и иловатых глинистых пород естественного основания в окрестности пруда фильтрационных вод у головной дамбы хво-стохранилища ЛГОК.

В результате испытаний нормально-уплотненных образцов на приборах плоскостного среза получены следующие параметры уравнения сопротивления сдвигу для ядерной зоны гидроотвала № 1 р = 160, с = 4 тн/м2, для глинистого слоя в основании головной дамбы хвостохранили-ща ЁГОКа р = 130, с = 1.3 тн/м2. На приборе компрессионного типа (ста-билометре УСВ-2) для намывных глинистых отложений ядерной зоны гидроотвала № 1 р = 130, с = 3.4 тн/м2, для глинистого слоя в основании головной дамбы хвостохранилища ЁГОКа р = 140, с = 1.7 тн/м2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Aбепев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М., Стройиздат, 1983.

2. Бишоп A., Хенкель Д. Oпределение свойств грунтов в трехосных испытаниях. Госстройиздат, М., 19б1.

3. Гальперин A.M., Зайцев B.C., Хейфиц В.З. и др. Устройство для комплексного зондирования грунтов: Пат. РФ

№2025559 от 30.12.1994.//БИ №21.

4. Методические указания по определению деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород в стабилометрах. Белгород, ВИОГЕМ, 1973.

5. Полевые методы инженерногеологических изысканий. /В. И. Лебедев,

В.В.Ильичев, К.П.Шевцов, А.Т.Индюков.

М., Недра, 1988. ИНН

CG

и =

o

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------

Пуневский C.A., Панфилов A.Ю. - Московский государственный горный университет, Климашевский Ю.A. - OAO «Лебединский TOK».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. A.M. Гальперин.