Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-геологическое обоснование повышения надежности эксплуатации противофильтрационных элементов гидротехнических сооружений (в условиях нестационарного температурного режима)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическое обоснование повышения надежности эксплуатации противофильтрационных элементов гидротехнических сооружений (в условиях нестационарного температурного режима)"

гго с а

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ.ВИСЗЕЯ ШЛН И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ •

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА,ОРДЕНП ОКТЯБРЬСКОЙ

РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31ШШШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ Г.Й.ПЛЕШОВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи ЩЕЛШШИА Елена Игоревна

. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕШСТИ . ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОТИЗОФЙЛЬТРАЦИОНННХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ (й УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕ8ИНА).

Специальность 04.00.07 - Ингенерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-киисралогических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Санкт-. Петербургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова и во Всесоюзном научко-исследовательскои институте Гидротехники им.Б.Е.Веденеева.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор Даико Регина Эдуардовна

Официальные оппоненты- доктор геолого -минералогических наук. Роман Лидия Тарасовна

доктор технических наук, профессор Кнатько Василий Михайлович

Ведшее предприятие - Санкт-Петербургский государственный технический Университет - Гидротех-. нический факультет

Зачита диссертации состоится "__

в »._'/_^__час_/2£_ыин. на заседании специализированного Совета Л.,063.15.0? в Санкт-Петербургском государственном горнем инсти туте им. Г.В.Плеханова по адресу: 130020. Санкт-Петербург, В-2В 21 линия, дои 2, ауд. ПАР

Автореферат разослан ___1383г.

С Диссертацией моано ознакомиться в библиотеке Санкт-Петер бургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова

Ученый секретарь специализированного Совета

.»

доцент й.В.Кузьмин

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Строительство и эксплуатация земляных и камсино-земляных плотин с протипофильтрациошшми элементами из местных глинистых отложений, и дорогноо строительство в районах с суповым климатом значительно осложняются дефицитом качественных природных материалов,а также развитием криогенных процессов, таких как морозное пучение и морозобойное растрескивание, протекающих и дисперсных связны* отлоаениях при знакопеременном температурной воздействии.

Анализ опыта строительства и эксплуатации таких плотин в навей стране и за рубеаом (в СВА, Канаде, Ивеции, Норвегии) показывает, что наденность эксплуатации и долговечность этих сооружений во многом зависит от качества глинистого материала, используемого для создания протипооильтрациошгах элементов (ПФЗ).

Актуальность темы работы определяется необходимость!) целенаправленного изменения (улучшения) свойств некондиционных глинистых отлохений. используемых для строительства ПСЭ плотин и других сооругений в районах с суровым климатом.

Цельа работы является совериенствование способов направленного изменения состояния и свойств глинистых отло«сний с помоцьв синтезированных аминокямплексных соединений для последувцего их использования в качестве материала ПФЗ земляных и каменно-земля-ных плотин и доротом строительстве с целью снижения морозного пучения и повыиениа тем самым эксплуатационной надежности конструкций.

Для достиаения поставленной цели автор решал следупцие 0£-новные залочи.

1. Анализ, причин разруиения ПФЗ земляных и каменно-земляных плотин, эксплуатируемых в суровых климатических условиях.

2. Изучение закономерностей изменения "ильтр^ционной способности глинистых отлояений при энаколерекенноц температурном воздействии.

3. Анализ методов, применяемых для искусственного улучяения свойств глинистых порол, использдомнх кяк строительный материал в суровых климатических условиях.

4. Сравнительная оценка эффективности влияния аьинпл,л<и-лекеннх соединений (ЙКС> на состав, состоят:.? и еялйства тише-

тих отложений на основе теоретических и экспериментальных данных.

5'. Экспериментальные исследования (лабораторные и полевые закономерностей изменения .состояния и свойств глинистых, отлове-ний, обработанных АКС, в зависимости от гранулометрического тип, и Минерального состава с целы) снижения их морозного пучения повышения удобообрабатываеио.сти.

Нацчная новизна работы:.

- на основе анализа, причин снижения зксплиатационной надеа ности и локальных разрииений конетрикций глинистых НФЭ плотин вызванных развитием в них криогенных процессов, а такяе методе борьба с этими процессами, предлоаен новый способ снигония М1 розного пцчения при помощи АКС.

- разработана новая методика нэнчения водопроницаемое глинистых пород, позволявшая исследовать фильтрационная анизо ропию пород естественного, слогения, определять интенсивное

..влияния циклических процессов пррморашивания-оттаивания на в допроницаеиость глинистых отложений и изичать влияние масятабн го эффекта при определении коэффициента фильтрации,*

-' показана необходимость дифференцированного подхода к с работке АКС глинистых отлокений, различавшихся по гранулометг часкоии и минеральному составам, наличии примесей карбонатов . природной органики, для эффективного управления свойствам снихения морозного пачения;

- раскрыта природа влияния АКС на свойства глинистых но наруненного слоления, в том числе на их.морозное пдчение и оп делен(/ основные принципы обработки этих отлояений данными ор иичцег.иии соидиишшяаи.

- в лабораторных условиях исследовано взаимодействие не АКС алифатического ряда с глинистым иатсриалоы. и показана пе пективность применения этих реагентов для управления свойст! связных пород.

Зацицаомые научные поломения:

1, В результате неоднократного промораливаиия-оттаивани развития -криогенных процессов в противофильтрационных элеме земляних и каыенно-зомлэных плотин, цлоиешшх из.глинистых м риалои, происходит формирование НикрС- и ма'кротрещин, прив «их к увеличению водопроницаемости на порядок и более и лон

- 5 - '

нону разрупениэ этих конструкций. :

2. Эффективность снизения аорозного пучения, возрастание водоустойчивости противофильтрациош'шх. элементов и повышение удобообрабатываемости глинистых отлозоний при строительстве этих конструкций достигается путей обработки органическими коыплекс-1шыи соединенияии ароматического ряда т анилиновнни АКС.

3. Интенсивность снижения морозного пучения глинистих отло-есний, обработанных АКС, определяется изменением кристаллохиии-ческого строения поверхности тонкодисперошх частиц за счет частичной гидрофобизации, их агрегированием, а такге значительным понизением теапературы начала фазовнх переходов поровой воды, растянутых в зирокон диапазоне отрицательных температур.

4. Технология управления свойстваии глинистых отлошшй с поноп;ьа АКС деляна базироваться на обязательной учете: а) гранулометрического состава используемх гли: 1стых пород; особенностей их минерального состава, в той числе глинистой составлявшей, наличия карбонатов и природной органики;, в) состава-и концентрации АКС; г) тенпературннх условий проиорагивания (абсо'лзт-нах температур л градиентов температур).

Практическая значимость работа заключается в том, что результата проведенных исследований могут бить рекомендованы для направленного изменения свойств глинистых отлогений при строительстве ПФЗ 'землянах и каиенно-зенляных плотин (экранов, ядер, понуров и пр.) и конструкций дорогнах одеяд'в районах с суровыми климатическими условиями, что позволит повысить их эксплуатаци-оннуа надегность, а такзе использовать для строительства некондиционнее отложения

В основу диссертационной работн иолохени экспериментальные исследования автора на ряде объептп промиалепной гидротехники, гидроэнергетического и дородного строительства в районе Северного Урала, а республике Кони, на севере Архангельской"и Ленинградской областей, а такке анализ материалов по условиям строительства и эксплуатации плотин Вилвйской, Усть-Хантайской, Колымской и др. ГЭС.

Осноанис результаты провед иных исследований докладывались на соиецанлн по гидротехническому строительству в районах Крайнего Севера (Красноярск, 1987). на Всесеязнон совещании по низе-нерно-гоологическону -изучении и оценке мерзлых, протзаоцих и

протаивающих глинистых грунтов (Ленинград, 1980) и Всероссийском . научно-методическом семинаре по иняенерно-геологическоыу изучению криогенного пучения и истодам управления им при строительстве (Санкт Петербург, 1992), а такае на семинарах кафедры инве-нерной геологии Санкт-Петербургского горного института.

Но теме диссертации написано 7 работ, из них 3 статьи и 3 авторских свидетельства опубликованы, одна статья находится в к печати.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Содерэит страниц масинописпого текста.^таблиц, • /Хрисунков, приложений. Список литературы вклачает -/.ГЗ наименований.

Работа выполнена на кафедре ингенерной геологии Санкт-Петербургского горного института под руководством д.г.-м.н.. проф. Р.3.Лавке, которой автор вьраяает свои искреннюю благодарность.

Автор благодарит д.т.н.. проф. И.С.Масленникову и к.г.-м.н. Н.Ф.Кривоногову за практически покоць и внимание, проявленное к работе и выраЕает признательность сотрудникаа лаборатории инае-нерной геологии и геокриологии ВШШГ иы. Б.Е.Веденеева К.В.Виль-кевич и Г.С.Веряскиной, оказаваии поиоць при проведении лабораторных и полевых экспериментов.

СОДЕРШШЕ РйИТи

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы надежности эксплуатации противофильтрациошшх элементов ЧПОЗ) земляных и каменно-земляных плотин, возводимых из глинистых материалов в суровых климатических условиях по талому принципу. Приведены сведения о современных конструкциях ПФЗ, а также об их деформациях и локальных разрушениях под воздействием различных. криогеших процессов в нашей стране и за рубеаом. Дан подробный анализ условий строительства и эксплуатации ПФЭ на примере Вилвйской. Ус.ь-Хантайской, Колымской ГЭС.

Чаде всего криогенные процессы захватывают гребневые части ПФЗ. в которых развиваются морозное рцчение и морозобойное растрескивание,а такгс промерзающие части конструкций ниже депрес-сионной кривой, оттаивание которых приводит к нарушению противо-фильтрационной устойчивости.

- ? -

Морозное пучение и морозобойное растрескивание глинистых отлояений способствует образовании сосредоточенных путей фильтрации и могут вызвать локальные разрушения в соорузении.

Отмечается несовершенство технологии зимнего строительства ИФЭ, связанное с возиошостьв промораживания глинистых отложений в процессе их транспортировки, укладки и уплотнения.

Дан анализ динамики развития криогенных процессов, протекавших в ПФЗ.

Вторая глава посвяцена рассмотрении закономерностей изменения состава и свойств глинистых пород при многократной промораживании-оттаивании. На основании анализа экспериментальных и теоретических исследований З.Д.Ериопа, Т.И.Ростковой, В.Н.Конище-ва, Г.Н.Мазурова, А.В.Нинервина, С.С.Морозова, Н.Ф.Полтева, А.И.Нопова, К.И.Сергеева, А.Н.Тотвнова, Е.П.Еувершюй И других ученых показано, что преобразования глинистых пород при знакопе-ременшюи температурном воздействии имеют слогиий характер, связанный с фазовыии переходами воды и температурными деформациями дисперсных частиц и зависят от исходных гранулометрического, минерального и химического составов, влажности, условий и скорости промораживания.

Рассмотрены характер и степень изменения дисперсности, снижение пластичности промерзающих и оттаивашиих глинистых отлояений, существенное изменение состава обменных катионов. Показано, что повышение и понижение влажности и плотности глинистых пород зависит от условий их промораживания и оттаивания.

Осооое внимание уделено исследовании периодического промораживания-оттаивания глинистых пород на их водопроницаемость. В результате циклического знакопеременного воздействия коэффициент фильтрации этих пород резко возрастает (от одного до нескольких порядков) за счет формирования микро- и ншфотречнноватости. Для выявления закономерностей изменения Н0Д0Гф01,"цаемости глинистых пород разработана новая методика, принснсни., которой позволило: 1) исследовать фильтрационнуа анизотропна пород естественного сложения: 2) оценить влияние микротреэда и других дефектов в породах естественного слоаения; 3) определить интенсивность изменения величины коэффициента фильтрации в зависимости от количества циклов прокораживання и оттаиваняия и гранулометрического состава при одинаковых температурных услоз'/ях; 4) установить.

что в результате неоднократного проморавивания-оттаивания гл! нистых пород наруиенного слоаенкя фильтрация в них подчиняет! закону Дарси. чего не наблвдалось в тех же породах да промораап ванчя; 5) подтвердить влияние маситабного эффекта при исследов; ник водопроницаемости образцов естественного слоаения. либо И' кусствешшх. подвергвихса проморавиванив-оттаиванив.

Выводы, полученные по результатам лабораторных исследов ний, были подтверждены данными опытных наливов с использовани трассера.

При анализе изменения механических свойств глинистых отл . гений показано, что в результате их циклического промораяив ния-оттаиванния, как правило, наблюдается снивение их прочное и увеличения свимаемости, причем основные изменения свойств пр исхидит поело первых 4-5 циклов.

Показано, что проморавивание-оттаивание глинистых пород £ тественпого сложения более ак.ивпе влияет на их состояние свойства "по сравнении с породами нарувенного Словения,

В третьей главе анализируется опыт круглогодичного стр« тельства плотиг в северных районах, возводимых по такому приш пд, свидетельствующий о пригодности для создания ПФЭ вирок! спектра местных глинистых отлохений, преобразованных с помо: различных приемов технической мелиорации.

Отмечено.что применяемые в на(;тоячее время технологии п готовки и укладки связных пород в ПФЗ плотин требуют проведе дорогог-ояцих, трудоемких и энергоемких мероприятий термовл постной мелиорации.

Подробно рассмотрено вироко применяемое » гидротехничес строительстве поиияеииг температуры начала замерзания глиннс отлонений при помоци хлоридов На и Са. Отмечается ряд суцестп ных недостатков этого метода управления свойствами глинистых род. ' " . •

Глинистые Словения, р-^пространеппие в северных райе страны, как правило, находятся в мерзлом состоянии и при ол зшик могут переходить с текучее состояние. Следовательно, 1 равленного изменения состояния и свойств глинистых пород м( добиться введением в них водосеязывавдх и гидрофобизируищих цеств, что позволяет получить новый вид глинистого матери, обладавшего свойствами резко отличавшимися от исходных.

- 9 - •

Изучению вопросов гидрофобизации глинистых пород посвящен» 1аботы В.К.Безрука, С.Д.Воронневича, Л.В.Гончаровой, Р.Е.Грима«, ¡.Н.Гуменского, В.Ы.Кнатько, М.Т.Кострико, А.А.Паценко, Н.Н.Пер»-¡ина, В.А.Пчелииа, П.А.Ребиндера и др.

Известно, что гидрофобизируацими свойствами обладают со>~ гдинения, молекулы котор х характеризуются больпим дипольным нш-¿ентом. Наиболее эффективным для целей гидрофобизации глинисты» пород по мнению М.Т.Кострико являются органические полярные т>~ лекул,. и катионы, сорбирующиеся на поверхности минералов и про>-иикапцис в структуру их кристаллической реветки, при этом менявшие кристаллохимическуа природу и свойства алшмосиликатных частиц, что приводит к снивенив их гидрофильнпсти.

Эффективность применения гидрофобизирупцих веществ и их оптимальная дозировка зависят о- емкости обмена глинистых пород к их удельной поверхности.

Одним из наиболее перспективных споеобов управления свойствами глинистых отлозений является их обработка акинокоиплексна-аи соединениями (АКС), синтезированными из токсичных отходов предприятий химической и металлургической проиниленностей.

Четвертая глава поспядена экспериментальным исследованиям состава, состояний и свойств глинистых отлогений при их взаимодействии с АКС.

Дается краткая характеристика АКС, получаемых'при соединении хлоридов и сульфатов различных металлов и аминов, ароматических с замкнутой углеводородной цепочкой, либо алифатических иыеюцих разонкнутуп углеводородную цепочку. Наиболее изученными в настоящий момент являются АКС, полученные на основе гфемт-леских аминов - анилиновые ЙКС.

Исследованиями И.С.Масленниковой (1988) установлено, что АКС не токсичны, налорастворииы в воде, устойчивы в воздухе, разруиаптся только при температуре выше 100*С и экологически безопасны.

АКС характеризуется асимметричным строением молекулы: часть ио екулы, состоящая из аминогруппы - полярная, углеводородная часть - неполярная.

Закономерности физико-химического взаимодействия АКС с глинистыми породами обусловлены с одной стороны особенностями строения кристаллохимической поверхности минералов и наличием на ней

- 10 -

активных центров, с другой - строением молекулы ЙКС.

На основе анализа работ Е.Н.Сергеева, Р.И.Злочевской, О.И.Мдивниишили, Ф.Д.Овчаренко, В.И.Тарасевича. В.Й.Франк-Каме-нецкого, P.E.Грима, В.Ф.Бредли и других ученых дается современное представление об особенностях кристаллохимии глинистых минералов.

Согласно разработанной И.С.Касленниковой схеме взаимодействия ЙКС с глинистыми минералами, при внесении в дисперснуп связную породу молекулы реагента притягиваются своей полярной частьв к активным центрам алюмосиликатов, имещим некомпенсированный заряд, а нсполярные радикалы снимет гидрофилышсть их поверхности. Иолекулы АКС с помоцъи одного водорода аминогруппы участвуют в водородной связи с атомами кислорода, находящегося на поверхности минерала:

Н

С1 К

\ /

0

поверхность минерала

<5>к :»:«©

поверхность минерала

С1 Н

Полярные группы реагента обнчнл обладают химической активность® вследствие.наличия у азота ншшдолснной электронной пари, что позволяет ка вступать в дополни голыше химическое взаиио действие. При наличие на поверхности минерала группы ОН протон водорода перемещается к аминогруппе комплекса. В результате молекула, несущая эту группу, становится катионом, который притягивается к отрицательно зарязенному кислороду поверхности минерала за счет электростатических сил:

Н С1 Н

I I »

<ö> К : И : Н (Б)

мине-оЛДрая —

С1 Н

11

С1 И

» I I

М : N

I I

С1 Н

чг

_ ыине-0 рал

Иолекулы ПКС, вступая во взаимодействие с глинистыми частицами и вытесняя адсорбированные пленки воды с их поверхности.

образуит в породе новые структурные связи водородного и донор-но-акцепторного типа. Одновременно часть поровой води взаимодействует с молекулами АКС, нспрореагировавяини с минеральными частицами:

И С1 И Н С1 li 'J^oVi

• II | I | /

<0> н : К : : к : к(о)

>!! til II CI ¡1 И С1 и

Взаимодействие ЛКС с глинистыми част, лаки за сият адсорбционного и хемосорбционного процессов определяет необратимость изменения состава и свойств глинистых отлогений при отсутствии дополнительного химического воздействия' На их алвмосиликатнуп часть.

При проведении яспериазнтов было использовано 10 разновидностей глинистых отлоаений 9 основном гидрссл»дистого состава с различными примесями, отличающихся по гранулометрическому составу: от супеси тязелой до глили.

В процессе исследования влияния АКС на состав, состояние и свойства этих отлоаений, при обработке их аминокоыплексами з количестве 0.5-3% от масс« сухой породы, установлена следупщке за-кономерости.

Изменяется гранулометрический состав пород за счет агрегирования тонкодисперсных частиц. Присутствие в глинистой породе природной органики, пзаичпдрйстврпей с молекулами АКС. снилаот их активность в отнои.лии минеральных частиц и агрегирование происходит постепенно, по мере увеличения концентрации реагента. 15 случае отсутствия органики 12 АКС оказывается достаточно для агрегирования всех фракций диаметром < 0.01 мк.

Слоеный характер варьирования показателей пластичности в зависимости от начального содерваниа й породе глинистых фракций, состава примесей, а тзкяс состава и количества используемого АКС отрагает не только изменение дисперсности и гидрофильноеп< пород, но и образование в них новых структурных связей.

Гидрофобизация поверхности наиболее активных -тетин глинистых отлогений и появление а них нознх стрц1'туриых связей заметно повышает их водоустойчивость.Подтверждение* зтому слуаи: тот

- -

факт, что три, образца, изготовленные из суглинка с 2% добавкой .. трех разных АКС(РеС1/2Ан, РеС^'ЧА) более полутора лет

находятся в чоде, сохраняя свою форму, острые углы и грани. Образец, изготовленный из того Ее суглинка без добавок реагента по. юстьв разруиился через три месяца после того, как бил помочен в воду.

Установлены об«и»; тенденции изменения водопроницаемости » глинистых отложений после обработки комплексом РеС1/2Ан. Изменение коэффициент л фильтрации при концентрации АКС не более Ъ'А незначительны (табл.1).

Столь малое влияние АКС на водопроницаемость агрегированных гчинистых пород нарувекного слокения мовет объясняться заполнением пор длинноцепочечными органическими нолекинаыи реагента, ( здавцими тонкуз пористость мведу агрегатами.

Таблица 1

название содержание влажность ..лотность коэффици- коэффициен

породы >еС14» 2Ан в г сухой по- ент порис- фильтрации

в X роды, т/И3 тости в м/сут .

глина 0 30.0 1.49 0.816 6.0 X 10"®

полимине- 1 2?.г 1.50 0.739 4.3 х 10

ральная 3 28.8 1.52 0.783 5.2 х 10~£

су. линок 0 24.0 1.60 0.640 5.0 х 10*'

средний 1 2с:.9 1.64 0.614 2.0 х Ю^

'пнлеватый 3 22.8 1.63 0.651 6.0 х 10'-'

супесь 0 18.0 1.8' 0.43? 1.3 х 10"

тяжелая 2 19.0 1.82 0.462 2 .8 х 10"

пылсватая

Экспериментально доказано, что при увеличении концентра! АКС до определенного предела деформируемость глинистых по] возрастает, выае-снивается. Наиболее суцествешше изиенения с; масмости иаблюдают-я в суглинках по сравнении с супесями. Увеличение концентрации .ЖС от 0 до вызывает рост сцеп

ша в глинистых ;табл.2).

породах к

13 . снихенйе

угла внутреннего трения Таблица 2.

цодерганис РеС]Л-2Пн,Х

' О 1 2 3

суглинок средний пылепатиЛ

супесь тягелая

к:/. &Т/К» С.НПа Г. С.ИНа у

18.4 1.71 0.035 22 ! 16.7 1.?1 0.014 33

18.9 1.70 0.05? 9 116.1 1.72 0.015 34

20.0 1.68 0.000 4 ! 13.7 1.73 0.040 21

19.5 . 1.09 0,04? 14 110.я ...... 1.72 0.020 29

____ _ — . . . ......... . _ _ _____

Особое вникание в работе удалено ушютиясмости и липкости . глинистых пород - характеристикам, иасвции больвос значение при разработке технологии строительства.

В результате проведения экспериментов установлено., что ои-работка глинистых пород попкиенпой плавности соединенней !?еС 2(1н способствует достивешш наибольшей плотности укладки при динамическом уплотнении по сравнения с необработанными породами, при этой отмечается заметное снияеиие их липкости (рис.1). Л-КРШа 20

ге /з ' го 24 26 ■ га зо эг

Рис.1.3апш;ккисть личности (Л) суглинка от илзгпостн (Н) и содержаний -2йн. 1-02. 2-12. 3 - 2Х. 4 - 3*.

- 14 -

Пятая глава посвящена разработке основ технологии примвнс ния ЙКС для борьбы с морозный пучением глинистых отлоявний, ис пользуемых как материал в строительстве.

Дан анализ основных современных способов борьбы с порознь пучением. Показано, что далеко не всегда эти способы могут быт признаны эффективными, технологичными и безопасными с эколоа чсской точки зрения. Наиболее перспективными методами борьбы морозным пучением является химические методы, основанные на npi менении экологически безопасных всцеств, гидрофобизирувщих пс верхность минеральных частиц и влияюцих на структуру воды, этим веществам относятся ЙКС. позволяваие снизить величину mi розного пучения глинистых отлоаений вплоть до полного подавл! низ, что подтверждается результатами лабораторных и полевых ski nepi. ентов.

В процессе лабораторных исследований было установлено, ч1 для кагдой конкретной пород., ыоеет быть определена оптинальн. концентрация ЙКС, давшая максимальный эффект снихения величи; морозного пучения Повыаение со-

деряения реагента в породе выше fiKC

такого- значения в отдельных случаях ыоает снизить эффективность его применения (рис. 2). Наиболее устойчивые полоЕИтельнке результаты по снияонив морозого пучени? пород разного состава вплоть до полного его подавления дает использование ЙКС ароматического ряда в количестве ЪУ. от массы сухой породы. Это объясняется существенным исиимниеи температуры начала замерзания воды в породе и значительна растянутостью фазовых переходов в вирокои диапазоне отрицательных температур, при этом чэм ниве температура, геи больше требуется реагента (рис, 3). Снизь-ние морозного аучониа с покоцьв

вита морозного пучения О суглинка от содсрхания ( при t :: -8°С,

¡КС алифа-.ического ряда связано с гидрофобизацией поверхности линистых минералов, прерывающей миграционное движение пленок :вяэной воды. ,

Доказано, что обцие закономерности развития морозного пуче-шя глинистых пород, обработанных ЙКС в зависимости от градиента температур сохраняотся те ае, что и для необработанных пород. С ;величением концентрации ЙКС а глинистых породах влияние условий 1ромораживания (температура и градиента температур) на величину морозного пучения постепенно уменьвается (рис. 3).

Остановлено, что при четырех циклах промораживания-оттаивания двух разновидностей суглинков с добавками РсС1л* 2Ан коэффициент морозного пучения для одних и тех же температурных условий сохранялись постоянными, что является свидетельством определенной устойчивости противопучинного действия ЙКС.

Проверка результатов лабораторных .кспериаентов и разработка технологии внесения ЙКС в высоковлажные глинистые породы на-руаенного сложения осуществлялись в полевых условиях.

о ' I г з с,<>/л о I г. .3 с,%

Рис. 3. Зависимость температуры качала криогенных деформаций (Iе С) глинистых отложений от содержания РеС1а-2йн(С)

Для проведения полевого эксперимента на севере Архангельской области был оборудован-опытный полигон, состоящей из трех плоцадок: одна была построена из суглинка пыг ватого 5ез

из того ве суглинка с добавленн-реагента,

дгай иО,2град/а 6-4 С

доба.ок (контрольная), вторая

ем 1.52 I еС1д/ 2Ан, третья - с добавлешгч ЪУ. этого проиедвего государственнуп эко-логическув экспертизу и оценен-но" о как малоопасное С 4-ый класс опасности согласно классификации вредных веществ ГОСП*:.1.007.76) Размер кавдой площадки сос-тавля. 5x3^ высока равнялась 1.2 :.что значительно мень-ве глубины сезонного промерзания. которая в этом районе может .превышать 2.5 м.

Строительство полигона осу-яествлялось в октябре 19Ы г. когда глинистое породы основания и карьерные суглинки, предназначенные для строительства, оказались сильно увлажне. лыми.

Оборудование опытных пло-цадок проводилось в несколько

стадий:1) дозировке ДКС в пересчете на массу сухой породы;2) пе ремеиивание реагента с суглинком, имеющим влажность близкую-пределу текучести; .3) укладка полученной смеси и се уплотнение 4) оборудование площадок измерительной аппаратурой: катувечны» пучишжераки. температурными датчиками, реперами дли пинелщюв; '»¡ия.

Уплотнение необработанных суглинков на контрольной плоцад! оказалось затруднено из-за высоких .-чпкости и влажности глини! того материала. На этой площадке не удалось пробурить скваки! ручным внеком для размещения темпе,.атурных датчиков, так к. сразу после извлечения бурового : штрумента скважина заплывала

Уплотнение суглинков, обработанных АКС.при той ке влажное происходило значительно более эффективно при заметном снижен липкости глинистой смэси. На площадках, построенных с использ ваниом реа> гита, пробурить скважины оказалось нетрудно.

Но давним те-черагурных датчиков установлено, что в сам холодный период при I" < -40 С уплотненный глинистый матери

Рис. 4. Зависимость коэффици ента мороз.юго пуче«ия (Кп сугли-ка от условий промора вивания и содержания КеС^Зь

лизь до глубины 50 S0 си от поверхности имел температуру mise -10°С, а на больней глубине температура была значительно вьмо.

1) момент обследования (начало иешя 1992 г.) глинистый материал контрольной площадки с глубичн 50 см оказался в мерзлом состоянии. Около Фронта оттаивания обнаружены крупные кристаллы и прослои льда толщиной до G ми, которые свидетельствупт о миграции влаги при промерзании и оттаивании глинист го материала. Подтвернденнен этому служат результаты определения влажности ..о высоте насыпи (рис. 5). Обследование площадок, построенных из суглингов с доиавками РеС1д*2Лм показало, что несмотря на с-рица-тельиуи температуру в иомент обследование (-2е С и г'же) глинистый материал оказался в талом состоянии. Влажность по всей высоте насыпи была равномерно распределенной и значительно более низкой, чем осеньо в период строительства (рис. 5), что свидетельствует об отсутствии миграции влаги при промерзагчи и оттаивании обработанного г тинистого материала.

/2 /А /S /В Ю /Z /4 /<? /8 20 Ю !?. ¡4 :$ '8 W."/0

Со

ее 80■ /95; ¡¿й

. V

\

>

. X

6

Рис. 5. Распределение влажности по высоте насыпи опытных участков: *—* осоньв 1991 г.;-»- весной 1*992 г.; а - без добавок: б - 1.5Х РоС12'2Ан; в - 32 РеС1,-2Я».

ОБЦИЕ ваволы

к

1. При строительстве и эксплуатации земляных сооружений, в том числе !!ФЭ плотин, в условиях действий знакопеременных температур в глинистом материале конструкций протекаот различные крк-

огеншше процессы резко ухудиаюцие их эксплуатационные качества повывающие водопроницаемость, снижающие водоустойчивость, чт может привести к локалышм разруиениям сооружения.

2. В процессе лабораторных исследований по специально ра; работанной методике, а также при проведении полевых эксперимег тов было установлено, что в результате периодического npoMopaav вания и оттаивания в глинистых отложениях образуются никро-макротрещины. вызывающие резкое возрастание водопроницаемое! (от одного до нескольких порядков).

3. 1!а основании проведенного анализа современных способ* борьбы с морозным пучением показано, что разработка новых cnoci бов управления свойствами глинистых отложений является важным перспективным направлением повымения надежности сооружений снижения стоимости их строительства. К их числу можно отнес использование аминокомплексных соединений (ЙКС). получаемых i отходов химической и металлургической промыиленностей. Использ вание ЙИС для предотвращения морозного пучения в отличие от и вестных способов имеет ряд преимуществ: 1) получаемый при обр ботке реагентом глинистый материал обладает достаточно высок устойчивостью к вневним воздействиям - дополнительному увлажн нию. резкому колебанию температур: 2) положительный эффект пр является практически сразу после обработки породы: 3) для пол чения необходимого результата требуется реагента не более ЗХ массы сухой породы.

4. В процессе исследования установлено, что все изнеиен состава, состояния и свойств глинистых пород, обработанных О определяются тремя основными процессами:1) агрегированием тонн дисперсных Фракций в результате гидрофобизации поверхности ча тиц; 2) изменением структуры и энергетического состояния вс при взаимодействии с молекулами АКС: 3) формированием нор структурных связей водородного и донорно-акцепторного типа.

Сравнительная оценка эффективности разных по составу ( показала, что соединения ароматического ряда существенно отли1 ются по характеру взаимодействия с водой от. аналогичных, реагс тов алифатического ряда. Наиболее сильное влияние на глинист породы оказывают ЙКС. в состав которых входят соли, содержа! ионы большей валентности.

Оптимальная концентрация АКС (до 3Z) зависит от гранулою

- 19 -•

»ческого и минерального состава породи, а также от количества и зстава примесей: присутствие в породе природной органики приво-*т к повывенип расхода ЙКС за счет активного ев взаимодействия молекулами реагента. Присутствие карбонатов, наоборот, снижает асход ЙКС.

Формирование новых структурных связей водородного к донор-о-акцепторного типа повивает пластичность, прочность и водоус-ойчивость глинистых пород. Действие ЙКС в количестве 1-3% прак-ически не сказывается на водопроницаемости этих отложений.

Оптимальная плотность укладки глинистах отложений повынен-ой влазности, обработанных ЙКС достигается с наименьниии эатра-ами труда по сравнении с необработанными разностями при той яе лааности, прежде всего за счет заметного снижения их липкости.

При обработке глинистых пород ЙКС резко пониаается темпера-ура начала развития криогенных деформа"чй. Частичная п ;рофобн-:ация поверхности тонкодисперсных частиц и создание дополнительна структурных связей в преобразованном глинистом материале [репятствует миграции влаги.

Исследования, проведеннные на опытной полигоне в условиях :урового климата на глинистых отлояениах повыненной влажности, юдтвердили результаты лабораторных экспериментов и позволяит считать, что ЙКС в качестве добавки (1-32) улучиазт свойства -линистнх пород ПовиаСнной влажности, используемых для строи-гельстиа земляных сооружений, в том числе ПОЗ плотин, и являштся эффективным средством борьбы с морозным пучением.

Основные полоясниа диссертации опубликованы в работах:

1. Ясвчснко H.H., Цеиелинина Е.И. йстидика лабораторного определенна водопроницаемости глинистых грунтов р процессе их оттаивания. - Гидротехническое строительство в районах крайнего севера. (СГС-86) Красноярск, 1987, с. 159-163.

2. Брагинский И.В., Иевченко H.H., Цемеликина Е.й. Влияние циклического промораживания глинистых грунтов на их водопроницаемость при осерадиальпой фильтрации. - Известия ВНИИГ. t.20Ü, Фил*трационные исследования и расчеты гидротехнических сооружений., Ленинград, 1980, с. G4-70.

3.й.с.Н 1493726 (СССР).Способ возведения намывной грунтовой плотины (в соавт.с Еиленковыы В.II..Новоаиловым Й.П..Зевченко Н.И ).

Опубл. в Ьвл.Н 261989.

4. й.с.К 1676237 (СССР). Способ получения водосвязываюцего дис персных алюмосиликатных систем (в соавт. с Масленниковой И.С, Дззко Р.З., Никитиным Е.Е., байрамуковым М.Д.), 1991.

5. й.с.Н 16?6238 (СССР). Способ получения водосвязываюцего дш персных алииосиликатних систем (в соавт. с Масленниковой И.С Даако Р.З., Никитиным Е.Е., Байдуковым М.Д.. Черкасовым Д.Г. 1991.

6. Цемелинина Е.И. Экспериментальные исследования изменения в допроницаемости глинистых экранов в процессе их проморакич кия-оттаивания. - Материалу конференций и совещаний по гидрою пике: Инженерно-геологическое изучение и оценка мерзлых, проке эавцих и протаивавших глинистых грунтов. (ЯНГ-90) ВИИИГ и Б.Е.Веденеева. 1992.

I