CC BY
88
© С.А. Пуневский, М.П. Зайцев, А.Н. Кравченко, 2010
УДК 622:531:624.131.526
С.А. Пуневский, М.П. Зайцев, А.Н. Кравченко
РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЛОВОГО ОСАДКА СТАНЦИЙ АЭРАЦИИ
Дана оценка прогнозных, деформационных и фильтрационных характеристик песчано-глинистых пород. Сделан вывод о целесообразности схемы организации карт с разделительными дамбами из вскрышных суглинков, с которых строительными экскаваторами-драглайнами будет производиться отсыпка илового осадка.
Ключевые слова: станция аэрации, стабилометр, иловый осадок.
Семинар № 1
Ш проблема достоверной оценки
-*-*■ прогнозных, деформационных и фильтрационных характеристик песчано-глинистых пород является одной из наиболее сложных и значимых в горном деле и инженерно-строительной практике.
В лабораторных условиях возможность получения достоверной информации о свойствах пород, максимально приближенных к природным условиям, может обеспечить испытания образцов в приборах трехосного сжатия (стабило-метрах). Стабилометр УСВ-2, разработанный в ВИОГЕМ, позволяет получать целый комплекс характеристик лишь по одному образцу исследуемой породы: коэффициент сжимаемости, коэффициент консолидации, угол внутреннего трения, сцепление, модуль деформации, коэффициент бокового распора, параметры порового давления, фильтрационные характеристики, параметры ползучести пород и другие [1].
При этом сами показатели могут быть получены в условиях, максимально приближенных к соответствующим условиям деформационных процессов горных пород в натуре (массиве).
В стабилометре типа УСВ-2 образец породы в водонепроницаемой оболочке помещают между двумя поршнями в камеру, которую заполняют затем жидкостью (глицерином), передающей боковое давление на образец (рис. 1). Вертикальное давление при этом создается поршнями, имеющими отверстия, которые сообщаются через трубку с устройством для изменения порового давления и количества отжимаемой воды. Образец испытываемой породы имеет цилиндрическую форму. Испытания в ста-билометрах выполняются по трем основным схемам:
1) без оттока воды из образца, так называемые недренированные испытания;
2) без оттока воды из образца, предварительно уплотненного в дренированном состоянии, консолидированно-недренированные испытания;
3) в условиях оттока воды из образца, так называемые дренированные испытания.
Результаты испытания фиксируются персональным компьютером по специально разработанной оригинальной программе.
Лабораторные исследования на кафедре Геологии МГГУ проводились для получения водно-физических и механических свойств илового осадка
Рис. 1. Общий вид стабилометра УСВ-2
станций аэрации г. Москвы и грунтовых смесей на его основе. Работы производились с целью геомеханического обоснования рекультивации карьера Чулков-ского месторождения кварцевых песков в Раменском районе Московской области. По проекту предлагается размещение в выработанном пространстве обезвоженного осадка сточных вод со станции аэрации.
Целью работы является получение исходных данных для оценки несущей способности техногенного массива и его уплотнения, обоснования формы слабовыпуклого неразмываемого рельефа рекультивируемой территории, выбора технологической схемы складирования
илового осадка и типа применяемого оборудования.
Исследованию подвергались следующие группы:
• иловый осадок (отходы после прессфильтров);
• суглинки;
• смесь илового осадка с суглинком в различных пропорциях.
Отбор образцов производился на Люберецком карьере в соответствии с требованиями [2].
Образцы отложений с ненарушенной структурой помещались в полиэтиленовые мешки, затем в пластмассовые контейнеры и доставлялись автотранспортом в лабораторию.
Основной комплекс исследований включал:
• определение водно-физических характеристик грунтов (влажность, естественная плотность и плотность минерального вещества) [3, 4, 5, 7];
• определение сопротивления сдвигу на приборах плоскостного среза и стабилометрах [1, 6, 7];
• гранулометрический анализ [5, 7];
• определение деформационных характеристик (коэффициента сжимаемости и консолидации, модуль общей деформации) в ходе компрессионных испытаний на стабилометре [1, 4, 6, 7];
• определение коэффициента
фильтрации по результатам компрессионных испытаний (в условиях замачивания образца) [1, 4, 7].
Трехосные испытания представляют возможность варьирования не только величиной вертикальной нагрузки (имитация роста мощности отсыпаемого массива), но также задавать различные ограничения, касающиеся деформации образцов, режима фильтрации поровой
Таблица 1
Результаты определения физико-механических свойств илов и вскрышных суглинков
Грунт Содержание частиц, % Плотность минеральных частиц, г/см3 Плотность, у, г/см3 Влажность весовая, Wв, % Угол внутреннего трения ф, град Сцепление С, кПа
>0,05 мм 0,005- 0,05 мм <0,005 мм
Илы 7,02 92,9 8 - 2,23 1.35 123... 176 7.11 0,01. 0,12
Вскрышные суглинки 41,1 8 47,0 3 11,7 9 2,72 2,03 22 21 0,2
Примечание. По илам определен агрегатный состав, формирующийся под влиянием коагулянтов
жидкости и пр. (имитация бокового расширения отвального массива).
Испытания проводились в двух режимах:
• недренированно-неконсолиди-рованные (закрытая система);
• консолидированно-дренирован-ные (открытая система).
Первый - моделирует условия минимальной степени уплотнения, при невозможности отжатия поровой жидкости, второй - максимальное уплотнение с учетом отжатия влаги.
Характеристики водно-физических свойств необходимы, в первую очередь, для определения показателей деформирования.
Основной объем исследований был направлен на изучение механических свойств всех видов грунтов. Деформационные свойства оценивались по величине коэффициента сжимаемости «а», значение которого меняется в зависимости от величины вертикальной нагрузки
Стверт. Вид зависимости а = f(аверт) устанавливается в ходе компрессионных испытаний. Результаты испытаний используются при расчетах уплотнения насыпной толщи и грунтов естественного основания.
Прочностные характеристики (сцепление «с» и угол внутреннего трения «Ф») определяются по результатам плоскостных срезов, а также в ходе трехосных испытаний на стабилометрах. Результаты испытаний физико-
механических свойств илового осадка и вскрышных суглинков приведены в табл. 1.
Изменение показателей весовой влажности вызвано тем, что образцы илов для испытаний отбирались с участков с различным периодом складирования. Наиболее высокая влажность наблюдается у илов, которые были завезены более года назад и успели поглотить атмосферную влагу и талые воды. Это подтверждает результаты предыдущих исследований кафедры геологии МГГУ [8]. Минимальные значения ф и С соответствуют испытаниям илового осадка в «закрытой системе», а максимальные - в «открытой».
В первой стадии испытаний на ста-билометре УСВ-2 было выполнено 16 испытаний по закрытой системе (без оттока воды из образца) и 11 испытаний по открытой.
Время проведения опытов по закрытой схеме определялось в зависимости от начала роста порового давления и составляло от 2 до 16 часов. Время прове-
дения опытов по открытой схеме определялось в зависимости от рассеивания порового давления и составляло от 24 до 150 часов. Величина порового давления 0,015, 0,028, 0,045 МПа при соответствующих вертикальных нагрузках 0,1,
0,2, 0,3 МПа. На рис. 2 представлены
обобщенные результаты трехосных испытаний илового осадка для 9 образцов в закрытой системе, на рис. 3 представлены обобщенные результаты трехосных испытаний илистого осадка для 6 образцов в открытой системе.
Х,МПа
Рис. 2. Результаты трехосных испытаний (закрытая система)
ср =11° С = 0,017 МПа
Рис. 3. Результаты трехосных испытаний (открытая система)
График зависимости Б(р)
Рис. 4. Компрессионная зависимость
Изменение коэффициента пористости е от уплотняющей нагрузки Р, МПа (компрессионная зависимость) - характеризуется следующими обобщенными данными (5 образцов), представленными в табл. 2.
На рис. 4 представлена графическая зависимость коэффициента пористости е от уплотняющей нагрузки Р, для обобщенных данных по результатам 5 испытаний. Иловый осадок относится к силь-носжимаемым грунтам и имеет коэффициент сжимаемости в зависимости от нагрузки в пределах а = 1,7...4,0 см2/кг. Начальный коэффициент пористости составляет порядка е =2,68. Проведенные расчеты показывают, что при создании дренирующей пригрузки, соответствующей 1,5 м песка, осадки техногенного массива илов составят (табл. 3). Для расчета осадок и несущей способности илового осадка и смеси илового осадка с суглинками производились
Р,МРа
компрессионные испытания, на основании которых были построены графики рассеивания порового давления во времени Ри = f (стц, /). На рис.е 4 и 5 представлена зависимость изменения порового давления от времени для открытой системы, при вертикальной нагрузке 1 кг/см2. Для первого испытания брался образец смеси илового осадка 70 % и 30 % суглинка, для второго испытания образец илового осадка без суглинка. Из результатов опытов видно, что при уплотнении смеси илов с суглинками по-ровое давление рассеивается гораздо с меньшей скоростью, чем при компрессии чистых илов. Это свидетельствует об образовании в зоне приложения нагрузки противофильтрационного экрана. Отсюда можно сделать вывод, что уплотнение, осадки и несущая способность суглинисто-иловых смесей ниже чем у собственного илового осадка.
Давление Р, МПа 0,00 0,05 0,1 0,20 0,30 0,40
Коэф. пористости е, д.ед. 2,68 2,48 2,3 2,01 1,79 1,62
Коэффициент сжимаемости, а, см2/кг 4 3,6 2,9 2,2 1,7
Таблица 3
Общая мощность техногенного массива, м ^тах, м §. « е ° 5 II Ю &
0,17 0,10
6 0,35 0,25
8 0,60 0,40
12 1,2 0,68
Время час
Рис. 4. Изменение порового давления от времени для смеси илового осадка и суглинка
Время, час
Рис. 5. Изменение порового давления от времени для илового осадка
Несущая способность техногенного массива илов составляет менее 0,2 кг/см2 и не позволяет находиться строительной технике на поверхности. Физико-механические свойства илов не дают возможности нахождения оборудования на отвальном массиве. Поэтому целесообразна схема организации карт с разделительными дамбами из вскрышных суглинков, с которых строительными экскаваторами-драглайнами будет производиться отсыпка илового осадка. Конечная конфигурация поверхности (с учетом остаточных осадок техногенного массива) позволяет исключить заболачивание рекультивируемой территории. Обязательным условием строительства является наличие в основании ярусов илового массива дренажного основания.
1. Методические указания по определению деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик горных пород в стабило-метрах. /Под ред. Панюкова П.Н. - Белгород, ВИОГЕМ, 1973.
2. ГОСТ 12071-84. «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов». - М.: Изд-во стандартов, 1985.
3. ГОСТ 30416-96. «Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения». - М.: Минстрой России, 1997.
4. ГОСТ 5180-84. «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». - М.: Изд-во стандартов, 1984.
5. ГОСТ 12536-79. «Грунты. Методы определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава». - М.: Изд-во стандартов, 1982.
6. ГОСТ 12248-96. «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости». - М.: Минстрой России, 1996.
7. ГОСТ 20522-96. «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний», - М.: МНТКС, 1997.
8. «Проектные проработки технологии складирования илового осадка на площадке «Видное» - отчет по теме Т0-4-490. - М.: МГГУ, 1994. Ш
— Коротко об авторах
Пуневский С.А., Зайцев М.П., Кравченко А.Н.
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru Moscow State Mining University, Russia
2
ЛГлплиі///) /IЛ V
