CC BY
269
УДК 624.131.213
И.А. Потапов*, А.А. Шименкова, А.Д. Потапов
*НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ЗАВИСИМОСТЬ СУФФОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА ОТ ТИПА ФИЛЬТРАТА
Приведены результаты выполненных расчетных и экспериментальных исследований суффозионной устойчивости песчаных грунтов. Оценена возможность применения стандартных методик расчета и показана необходимость учета свойств фильтрата при определении возможности развития суффозионных процессов в песчаных грунтах. Основное внимание должно уделяться учету величины кинематической вязкости фильтрующейся жидкости. При оценках фильтрационного взаимодействия потока жидкости с песчаным грунтом следует не только проводить гранулометрический анализ грунта и расчет его степени однородности, но и выполнять минералогический и морфологический анализ. Морфологическое изучение песков различного генезиса, которые были исследованы в данной работе, было выполнено по методике, учитывающей не только особенности формы песчаных зерен, но и характер их поверхности. Данная методика позволяет оценивать не отдельные частицы песка, а образец достаточно большого объема, что обеспечивает представительность в морфологических исследованиях. Приведены данные изучения песков различного генезиса с разными характеристиками гранулометрического состава, разного минерального состава и морфологических особенностей при взаимодействии с фильтратами с разной величиной кинематической вязкости. Проведенное методическое исследование показало необходимость выполнения лабораторных и натурных исследований суффозионной неустойчивости песчаных грунтов в различных геоэкологических обстановках, характерных для техногенно-загрязненных городских территорий.
Ключевые слова: суффозия, кинематическая вязкость, фильтрация, пески, генезис, морфология, гранулометрический состав, неоднородность, минералогический состав, эффективный диаметр, фильтрат, жидкость, песчаные зерна, геоэкология, степень однородности.
Суффозия песчаных грунтов, как известно, является одним из серьезных явлений, которое необходимо учитывать при проектировании и строительстве различных объектов. Для песчаных грунтов характерна механическая суффозия, если они по своему составу не содержат растворимых минералов в значительном количестве. Следует уточнить, что собственно механическая суффозия — это размыв грунта фильтрационным потоком, проявляющийся в виде отрыва и перемещения отдельных его частиц и целых агрегатов внутри пор. Поэтому важной является оценка их суффозионной устойчивости, иными словами, сохранения частицами грунта своего первоначального положения при воздействии на них фильтрационного потока, а также и их фильтрационной прочности, т.е. способности грунта сопротивляться разрушающему воздействию фильтрационного потока, которое может иметь вид внутреннего размыва (внутренней суффозии), поверхностного размыва (эрозии), отрыва и выпора целых масс грунта. Фильтрационную прочность грунта обычно характеризуют наибольшей допустимой в данных условиях величиной градиента напора или скорости фильтрующейся через грунт воды, при которой не возникают опасные деформации грунта, а также резкого изменения его проницаемости [1]. Наиболее опасной для строительных объектов представляется внутренняя суффозия, что определяет необходимость тщательного изучения суффозионной устойчивости песчаных грунтов в основании проектируемых сооружений в процессе выполнения инженерно-геологических изысканий. Методика такой оценки достаточно хорошо известна и успешно
реализуется. Однако в современных условиях, особенно при строительном освоении городских территорий или реконструкции сооружении на техногенно-загрязненных площадках, а также в зоне влияния полигонов захоронения твердых бытовых и промышленных отходов, следует констатировать факт серьезного изменения состава подземных вод. По существу можно говорить, что в песчаных грунтах осуществляется движение не чистой пресной воды, а некоего «фильтрата» различного состава и даже температуры. Иными словами, возникает необходимость учета изменений в биотопах урбосистем, прежде всего в подземной гидросфере, т.е. проведение геоэкологической оценки песчаных грунтов в основании проектируемых сооружений с учетом возможности проявления суффозионных процессов. Характеристики филь-трационно-суффозионных свойств песчаных грунтов являются важнейшими исходными данными для проектирования сооружения. Прежде всего, они необходимы для выбора рациональной схемы его подземного контура, расчета конструкции водоупорного элемента, а также для оценки фильтрационных утечек, скорости консолидации грунта в основании и т.п. [1]. Лабораторные исследования по оценке суффозионной устойчивости грунта позволяют не только определить критические состояния фильтрационного потока, но и изучить общие закономерности во взаимодействии грунта с фильтрационным потоком, что зачастую не удается при проведении экспериментов в натурных условиях. Здесь следует заметить, что лабораторные эксперименты весьма трудоемки, поэтому к их проведению следует обращаться только в том случае, когда необходимые характеристики нельзя с надлежащей точностью получить расчетным путем.
Известно, что поровое пространство зернистых грунтов может быть представлено в виде достаточно сложной системы пересекающихся в пространстве поровых каналов, каждый из которых имеет сужения и расширения. Также известно, что ламинарное движение в капилляре любой ньютоновской жидкости, в том числе воды, подчиняется закону Хагена — Пуазейля, в соответствии с которым расход протекающей через капилляр жидкости пропорционален четвертой степени его диаметра (в данном случае — поперечника порового канала в грунте) и прямо пропорционален градиенту напора жидкости. Рассматривая грунт в целом как недеформируемую пористую среду, последнее условие выражается в виде закона Дарси. Таким образом, одним из главных моментов в оценке расчетными способами водопроницаемости грунта (как, впрочем, и его устойчивости к внутренней суффозии) является определение гидравлически эквивалентного поперечника ё0 поровых каналов, приблизительно равного просвету в местах их сужений. Имеется несколько наиболее употребительных выражений этого важного параметра зернистого грунта, основанных главным образом на схематизированных представлениях о структуре.
Величину ё0 рекомендуется определять по следующим формулам [1]:
ё = 022М й°
0 ' к 50'
где hк = / dш_n — параметр неоднородности грунта (по В.И. Кондратьеву), определяемый по интегральной кривой распределения его частиц по крупности так, как это показано на рис. 1; ё 50 — средний по обеспеченности размер частиц грунта,
ё0 = 0,45е
Приведенные расчетные формулы описывают только случай взаимодействия фильтрационного потока с равномернозернистым грунтом, которые в натурных условиях практически не встречаются. Более того, в данной методике применяют оценку формы частиц, по предложению В.А. Мелентьева, с помощью шкалы Хабакова, которая представляет собой весьма упрощенную оценку визуальным путем по шкале-трафарету, учитывающую только форму частиц и не рассматривающую характер их поверхности. Учет характера поверхности частиц и более точный учет формы частиц
необходим при оценках фильтрационного взаимодействия с грунтом не воды, а других жидкостей с иными параметрами свойств и в частности их вязкости. При движении загрязненных различными химическими агентами жидкостей возникают взаимодействия молекул фильтрата с поверхностью частиц, что формирует вокруг частиц оболочки прочносвязанной жидкости и изменяет размер поровых каналов.
На скорость фильтрации существенное влияние оказывает упомянутая выше вязкость фильтрующейся жидкости. Как известно, характеристиками вязкости являются динамическая и кинематическая вязкость. Для изучения суффозионной устойчивости большое значение имеет кинематическая вязкость V, что было подтверждено исследованиями В.Н. Спиридонова [2].
В табл. 1 показаны значения вязкости различных жидкостей [3].
Табл. 1
Жидкость Температура t, °C Динамическая вязкость Кинематическая вязкость
Бензин 15 0,0065 0,0093
Керосин 15 0,0217 0,0270
Нефть легкая 18 0,178 0,250
Нефть тяжелая 18 1,284 1,400
Мазут 18 38,700 20,00
Спирт этиловый 20 0,0119 0,0154
Молоко 20 0,0183 0,0174
Вода 20 0,0098 0,0101
Для геоэкологических оценок скорости фильтрации в грунтах важно исследование движения рассолов. в наших исследованиях были использованы хлориды натрия и калия, которые активно применяются в противогололедных реагентах. На графиках рис. показано изменение вязкости рассолов в зависимости от концентрации рассола.
Р 3
0,5 0
0
50
100
150
200
250 300 350 Концентрация, мг/дм3
Изменение вязкостей рассолов NaCl и KCl при росте их концентрации
в наших исследованиях, которые имеют одной из задач выявление геоэкологических аспектов формирования суффозионной неустойчивости песчаных грунтов, необходимо было учитывать не только особенности гранулометрического состава грунтов и степени их неоднородности, но и влияние на фильтрационные параметры свойств фильтрата. важнейшим из этих свойств с геоэкологической точки зрения является величина кинематической вязкости фильтрата. В связи с этим в качестве характеристики гранулометрического состава нами была использована величина эффективного диаметра й , что и регламентировано нормативными документами.
В качестве расчетной формулы нами была использована зависимость определения коэффициента фильтрации из работы В.Н. Спиридонова [2]
кф=gd2l0 / 1200у,
где кф — коэффициент фильтрации, м/с; g — ускорение силы тяжести; сР10 — эффективный диаметр; V — кинематическая вязкость.
Для проведения методических расчетов были использованы условные значения эффективного диаметра песков, которые отвечают границам принятых в грунтоведении фракций песков. Однако даже такой расчет (табл. 2) показывает, что изменение кинематической вязкости для различных по составу фильтратов существенно сказывается на величине коэффициента фильтрации, вполне естественно скорость фильтрации уменьшается с ростом величины вязкости.
Расчетные значения коэффициента фильтрации различных жидкостей в зависимости от значений эффективного диаметра песков приведены в табл. 2.
Табл. 2
Коэффициент фильтрации, м/с
Эффективный диаметр, мм Вода V = 0,0101 при t = 20 °С Бензин V = 0,093 при t=15 °С Нефть легкая V = 0,250 при t =18 °С Нефть тяжелая V = 1,40 при t = 18 °С Мазут V =20,0 при t = 18 °С
2,0 0,03200 0,35270 0,131200 0,023600 0,0016400
1,0 0,00800 0,00870 0,003200 0,005720 0,0000400
0,5 0,02000 0,00230 0,000840 0,000150 0,0000150
0,25 0,00050 0,00060 0,000200 0,000040 0,0000030
0,1 0,00008 0,00009 0,000032 0,000006 0,0000004
Для дальнейших исследований были отобраны образцы песков различного генезиса, для которых были выполнены минералогический, гранулометрический и морфологический анализ.
В табл. 3 приведены результаты оценки гранулометрического состава песчаных грунтов и степени их однородности [4].
Табл. 3
№ обр. Место отбора Генезис Эффективный диаметр d10, мм коэффициент неоднородно сти Степень неоднородно сти Характеристика однородности (по ГОСТ 25100—95)
1 Рижская ГЭС (дамбы) 0,12 2,58 5,00 Однородный
2 Архангельск (дамбы СЦБК) 0,011 2,12 3,46 Однородный
3 Ашхабад (жил. здания) 0,06 2,72 3,90 Однородный
4 Одесса (Ильичевский порт) 0,45 6,16 11,3 Неоднородный
5 Неринга-Нида (пляж Куршской косы) е0-^у 0,20 1,81 2,29 Однородный
6 Рефтинская ТЭЦ (дамбы пруда-охладителя) 0,015 16,7 6,60 Неоднородный
Анализируя кривые гранулометрического состава изученных песков, можно утверждать, что в соответствии с нормативными документами в целом четыре образца песков являются однородными, для них коэффициент неоднородности изменяется соответственно от 1,81 до 2,72, и только два образца песков имеют коэффициент неоднородности 6,6 и 11,3, что обусловлено их генезисом и свидетельствует об их суф-фозионной неустойчивости.
В дальнейших исследованиях и при расчетах основное внимание было уделено оценке морфологических и минералогических особенностей изучаемых песков. Морфология песков определялась по экспресс-методу, под бинокулярным микроскопом и при помощи электронного микроскопа. Такая подробная оценка морфологических особенностей песков по показателю морфологии [5] позволяет, в отличие от методики Хабакова, учитывать и морфоскопические особенности песчаных зерен, что представляется важным при оценках формирования поровых каналов при взаимодействии фильтрационного потока с песчаным грунтом. минералогический анализ проводился по стандартным методикам. В табл. 4 приведена минералогическая и морфологическая характеристика изученных песков.
Табл. 4
№ обр. Место отбора Генезис Минералогический состав Морфологическая характеристика песков
Группа Дополнительная оценка Показатель морфологии 1
Подгруппа Вид
1 Рижская ГЭС (дамбы) fgQi: Полиминеральные кварцево-полевошпатовые Обработанные Окатанно-несфе-ричные Шероховатые 0,386
2 Архангельск (дамбы СЦБК) aQ:v Полиминеральные кварцево-полевошпатовые Обработанные Окатанно-сфе-ричные Шероховатые 0,437
3 Ашхабад (жил. здания) eoQiv Полиминеральные кварцево-полевошпатовые Необработанные Угловатонесфе-ричные Весьма шероховатые 0,121
4 Одесса (Ильичевский порт) mQIV Полиминеральные кварцево-карбонатные Необработанные Угловато-несферичные Весьма шероховатые 0,351
5 Неринга-Нида (пляж Куршской косы) eomQjv мономинеральные кварцевые Обработанные Окатаннонесфе-ричные Шероховатые 0,399
6 Рефтинская ГРЭС (дамбы пруда-охладителя) eQiv Полиминеральные кварцево-полевошпатовые Необработанные Угловато-несферичные Весьма шероховатые 0,121
Среди изученных песков преобладают кварцево-полевошпатовые пески, степень обработанности по показателю морфологии которых возрастает по установленному морфогенетическому ряду по мере роста влияния факторов водного воздействия от элювиальных и эоловых песков к флювиогляциальным и аллювиальным.
Для всех этих песков были рассчитаны теоретические значения коэффициента фильтрации по определенной при гранулометрическом анализе величине эффектив-
ного диаметра, для фильтратов с различными значениями кинематической вязкости по приведенной выше формуле (табл. 5).
Табл. 5
№ обр. Место отбора генезис Эффективный диаметр d10, мм Коэффициент фильтрации, см/с
Вода V = 0,0101 при t = 20 °С Бензин V = 0,093 при t =15 °С Нефть легкая V = 0,250 при t =18 °С Нефть тяжелая V = 1,40 при t=18 °С мазут V = 20,0 при t=18 °С
1 Архангельск (дамбы СЦБК) 0,011 0,001 0,00011 0,0004 0,00007 0,000005
2 Рефтинская ТЭЦ (дамбы пруда-охладителя) 0,015 0,0018 0,00019 0,00002 0,000001 0,0000001
3 Ашхабад (жил. здания) 0,06 0,00297 0,0033 0,00012 0,000021 0,0000015
4 Рижская ГЭС (дамбы) 0,12 0,0012 0,0013 0,0005 0,00009 0,000006
5 Неринга-Нида (пляж Куршской косы) 0,20 0,033 0,0036 0,0013 0,00024 0,00002
6 Одесса (Ильичев-ский порт) 0,45 0,168 0,018 0,0068 0,0012 0,00009
Анализ полученных данных подтверждает факт закономерного увеличения коэффициента фильтрации с ростом величины эффективного диаметра вне зависимости от состава фильтрата. При этом величина коэффициента фильтрации по мере увеличения кинематической вязкости закономерно уменьшается, что и было подтверждено дальнейшими экспериментами в лабораторных условиях для отдельных образцов изученных песков. Для проведения методических экспериментов были выбраны образцы неоднородных песков (одесские морские и рефтинские элювиальные). Результаты лабораторного изучения приведены в табл. 6.
Табл. 6
Коэффициент фильтрации, см/с
№ обр. место отбора генезис Эффективный диаметр d , мм вода V = 0,0101 при t = 20 °С Бензин V = 0,093 приt=15 °С мазут V = 20,0 при t=18 °С
1 Рефтинская ТЭЦ (дамбы пруда-охладителя) 0,015 0,0023 0,00016 0,0000086
2 одесса (Ильичевский порт) 0,45 0,179 0,023 0.000087
таким образом, проведенные методические экспериментальные исследования и выполненные расчеты показывают, что оценка суффозионной устойчивости песчаных грунтов должна выполняться не только по результатам гранулометрического
анализа и степени однородности, но и по особенностям морфологии песков. Главное же при геоэкологических оценках суффозионной устойчивости в том, что необходим учет особенностей фильтрата. Это особенно важно при работах на техногенно-за-грязненных территориях, при оценках движения в песчаных толщах подземных вод, загрязненных солями, нефтепродуктами и другими веществами, характерными для поверхностных стоков в городских условиях.
Библиографический список
1. Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость П 12-83 / ВНИИГ. Л., 1983.
2. Спиридонов В.Н. Гидравлические характеристики открытого потока в проницаемом русле : автореф. дисс. ... канд. М. : МИСИ, 1985.
3. ВильнерЯ.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. М. : Машиздат, 1989.
4. ГОСТ 25100—95. Грунты. Классификация. М. : Госстрой, 1996.
5. Потапов А.Д. Морфологическое изучение песков различного генезиса в инженерно-геологических целях : автореф. дисс. ... канд. М. : ПНИИИС, 1982.
Поступила в редакцию в апреле 2012 г.
Об авторах: Потапов Иван Александрович — инженер, НИИ скорой помощи им.
H.В. Склифосовского, shlusel@yandex.ru;
Шименкова Анастасия Анатольевна — инженер кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»
(ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337 г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, geolog305@yandex.ru;
Потапов Александр Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337 г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, adp1946@mail.ru.
Для цитирования: Потапов И.А., Шименкова А.А., Потапов А.Д. Зависимость суффозионной устойчивости песчаных грунтов различного генезиса от типа фильтрата // Вестник МГСУ. 2012. № 5. С. 79—86.
I.A. Potapov, A.A. Shimenkova, A.D. Potapov
DEPENDENCE OF SUFFOSION STABILITY OF SANDY SOILS OF VARIOUS GENESES
ON THE TYPE OF FILTRATE
Results of calculations and experimental researches of suffosion stability of sandy soils are provided in the article. The authors have assessed the prospects for the application of standard methodologies to demonstrate the need to take account of the filtrate properties in the course of projecting potential suffusion process development patterns typical for sandy soils. The principal attention must be driven to the value of the kinematic viscosity of filtered liquids. Any assessment of filtration-related interaction of the flow of liquid with sandy soils must be backed by the gradation analysis of soils and the analysis of their homogeneity, as well as the mineralogical and morphological analysis. The morphological study of sands of various geneses, performed hereunder, is based on the methodology that takes account of both the shape of sand particles and the structure of their surface.
The proposed methodology makes it possible to assess extensive sand specimen rather than separate sand particles to assure the representative sampling to assure the accuracy of the morphological analysis. The authors provide the data that cover the research of sands of various geneses demonstrating varied granulometric and mineral composition, as well as various morphological peculiarities of correlation with the filtrates that have different values of kinematic viscosity. The methodological research completed by the authors has indicated an urgent need to perform laboratory and field researches of suffosion instability of sandy soils in varied geoecological environments typical for urban lands exposed to anthropogenic pollutions.
Key words: suffusion, kinematic viscosity, filtration, sand, genesis, morphology, size distribution, heterogeneity, mineralogy, effective diameter, filtrate, liquid, sand grains, geoecology, degree of homogeneity.
References
1. Rekomendatsii po metodike laboratornykh ispytaniy gruntov na vodopronitsaemost' i suffozionnuyu ustoychivost'. P 12-83 [Recommendations concerning the Methodology of Laboratory Testing of Water-permeability and Suffosion Stability of Soils. P 12-83]. Leningrad, VNIIG [Institute Hydroproject], 1983.
2. Spiridonov V.N. Gidravlicheskie kharakteristiki otkrytogo potoka vpronitsaemom rusle [Hydraulic Characteristics of an Open Stream in a Nontight Channel]. Moscow, Moscow Institute of Civil Engineering, 1985.
3. Vil'ner Ya.M. Spravochnoe posobie po gidravlike, gidromashinam i gidroprivodam [Handbook of Hydraulics, Hydraulic Machines and Hydraulic Drivers]. Moscow, Mashizdat Publ., 1989.
4. GOST 25100—95. Grunty. Klassifikatsiya. [All-Russian State Standard 25100—95. Soils. Classification]. Moscow, Gosstroy Publ., 1996.
5. Potapov A.D. Morfologicheskoe izuchenie peskov razlichnogo genezisa v inzhenerno-geologicheskikh tselyakh [Morphological Research of Sands of Various Geneses for Engineering Geology Purposes]. Moscow, PNIIIS [Production, Scientific and Research Institute of Engineering Surveying in Construction], 1982.
About the authors: Potapov Ivan Aleksandrovich — engineer, Scientific and Research Institute of Emergency Healthcare named after N.V. Sklifosovskiy; shlusel@yandex.ru;
Shimenkova Anastasiya Anatol'evna — engineer, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, geolog305@yandex.ru;
Potapov Aleksandr Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; adp1946@mail.ru.
For citation: Potapov I.A., Shimenkova A.A., Potapov A.D. Zavisimost' suffozionnoy ustoychivosti peschanykh gruntov razlichnogo genezisa ot tipa fil'trata [Dependence of Suffosion Stability of Sandy Soils of Various Geneses on the Type of Filtrate]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 79—86.
