Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование набухающих глинистых пород в связи с их использованием при отсыпке земляных плотин

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Исследование набухающих глинистых пород в связи с их использованием при отсыпке земляных плотин"

СЕКТОР ГВДРОГЗОЯОГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ АКАДЕМИЯ НАУК ГРУЗИИ________

На оравах рукописи

АБЕСДДЗЕ АЛЕКСЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

УДК 624.131;?; 6"2?.824

ИССЩОВАНИЕ НАБУХАЮЩИХ ГЛИНИСШ ПОРОД В СВЯЗИ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИ ОТСЫПКЕ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

04.00.07-Иихенерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-кинералогкческих наук

Тбилиси - 1990

Работа выполнена в Грузинском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации.

Научней руководитель - доктор технических наук, профессор Г.И.Чохонелидзе.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, профессор К.Ш.Шадунц, -кандидат геолого-минералогических наук. Л.Г.Мельникова.

Ведущая организация - Грузинский государственный институт по проектированию водохозяйственного строительства " Грузгипроводхоз"

Зашита состоится "48 " ЯНВАРЯ 199/г. в"/^ "часов

на заседании Специализированного Совета ,Я007.18.01 при секторе гидрогеологии и инженерной геологии АН Грузии по адресу: 380008, Тбилиси, пр. Руставели, 31.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке сектора .гидрогеологии и инженерной геологии АН Грузии.

Автореферат разослан " £ " дв/САБРЯ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат геолого-минералоги-

кандидат геолого-минералоги- пчллй^

ческих наук С Б.С.Мхеидзе.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теш. В СССР и за рубег.ом строительство плотин из местных грунтцвых материалов определяется рядом причин,прежде всего экономического характера.Использование местнкх грунтовых материалов даст возможность сократить количество привозных фондируемых материалов,снимает необходимость их транспортирования к труднодоступны* и удаленным районам,значительно удешевляет строительство и создает возможность полной механизации производства работ.

Используемые местные' грунтовые материалы,с инкенерно-геолога-ческой точки зрения,характеризуются большим 'разнообразием как по минеральному составу,rait и по физическим свойствам.

Среди местных грунтовых материалов выделяются набухающие порода. Наб^ание пород .является весьма специфическим свойством и представляет собой сложный процесс.В настоящее время отсутствуют нормативные документы в виде государственных стандартов,которые регламентировали бы возможность применения набухающих пород при строительстве плотин.

Учет кабухаемости пород является особенно важным при использовании их б качестве мате риалов,ибо их применение при укладке в ' различных элементах плотин требует проведения дополнительных мероприятий, ввиду существенного изменения в процессе набухания прочностных и деформационных свойств.

Настоящая работа посвящена изучению набухающих пород как материалов для отсыпки в тело земляных плотин.В работе освещены методы определения параметров набухания .прочностных показателей набухающих пород и даны рекомендации конструкции плотин возводшых из набухающих пород.

Цель работа - исследование набухающих глинистых пород для обоснования возможности их использования в качестве строительного материала при возведении земляных плотин.

Основные задачу.в соответствии с поставленной цвлыо,следующие:

1. Определение основных параметров набухания;

2. Исследование минерального,гранулометрического и химического состава пород;

3. Исследование $язихо-механических свойств набухающие пород:'

а) прочностных

б) деформационных

в) фильтрационных

4. Разработка методики и определения давления набухания.

5. Предложения по' рациональным конструкциям плотин,возводимых из набухающих пород.

Научная новизна работы:

- установлена эмпирическая зависимость между величинами углов внутреннего трения при оптимальной плотности-влаяности и в набухшем состоянии,что дает возможность предварительно оценить пригодность пород для укладки в тело плотин;

-дана методика расчета толщины пригрузочного слоя на верховом откосе или на противофкльтрационные элементы,возводимые из набухающих пород;

- установлено,что уравновешивание давления набухания дает возможность применения набухающих пород для строительства земляных плотин;

- рекомендованы рациональные конструкции плотин,возводимые из набухающих пород,выбор которых обусловливается технико-экономическими соображениями с учетом местных условий.

Основные положения .представляемые к зашито.

- Обоснование возможности применения в качестве строительного материала набухающих глинистых пород в земляных плотинах.

- Эмпирическая зависимость величины угла внутреннего трения от состояния набухающей породы,с целью предварительной оценки возможных потерь ее прочности.

-Методика расчета толщины лригрузочного слоя,для уравновешивания давления набухания.

-Рекомендации по рациональному использовании набухающих глинистых пород в конструкциях земляных плотин.

Птакгичеекая, ценное ть.

В нормативных документах,в виде государственных стандартов,не содержится сведений о применении набухающих глинистых пород в качестве строительного материала. Ьтолненная работа научно обосновала возможность использования набухающих пород при строительстве земляных плотин с учетом экономической целесообразности,в чем и заключается болыиая практическая ценность работы.

Результаты исследований были использованы при проектировании плотин. в Грузии ' : земляная плотина на р.Чочаанв; земляная плотина Ианари у села Лили;, земляная плотина Яглуджа; земляная пло-

тана Архашенис-Хеви; зешшная плотина Самглетис-Хеви; земляная плотина Зилича; земляная плотина Лакбе. ____

Из них строятся или уже построены: земляная плотина Зилича,земляная плотина Архашенис-Хеви .земляная плотина Лакбе.

Годовой экономический эффект,в частности,для земляной водохра-нилищной плотшш Лакбе,подтверяде'нный.соответствующим актом,составляет 144,2 тыс.руб. • ч .

Так как пригодность пород для возведения отдельных элементов плотин того или иного типа оценивают по гранулометрическому составу, физико-механическим свойствам,учитывая при этом опыт использования аналогичных пород,то полученные результаты могут быть использованы и для других регионов. ' •

Аппобашд работы. Результаты исследований отражены в ряде научных отчетов ГруаНХИГйМ.Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях молодых-ученых и аспирантов в Грузинском НИИ гидротехники и мелиорации (Тбилиси, 1982 а 1983 гг.) .Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Строительство ГЭС в ^орных условиях" (г.Поти,1982 г.) .Всесоюзном научно-техническом совещании (г.Ленинград,1985 г.).Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов в ГрузШМГиМ (г.Тбилиси, 1987 г.) .Республиканской конференции молодых ученых и специалистов в секторе гидрогеологии и инженерной геологии (г.Тбилиси,1988 г.).

Публикации • Результаты исследований автора,нашедшие отражение в диссертации .опубликованы в 6 работах.Опубликованные труда отражают основные направления диссертационной работы.

Объем работы- Диссертация состоит из введения, ^ глав.внподов, приложений и включает 103 стр.машинописно го текста, ^рисунков, 22таблиц,библиографию из 94 наименований.

СОДЕШАШЕ ГАБОШ

В введении обоснована актуальность разработки поставленной проблемы,сформулированы цель и задачи.

£дав&~1. Современное состояние проблемы сооружений на набухаицих глинистых породах

Набухающие глинистые породы широко распространены в природе. В СССР набухающие глинистые породы занимают значительную площадь, в основном отные районы страны.

Территория распространения набухающих глинистых пород Грузии представляет собой Закавказскую межгорную впадину.Подавляющая часть 8 ТОЙ территории относится к Иверийской части межгорья,которая составляет северо-западную половину Куринской впадины.Сложена эта . часть межгорья преимущественно третичными и четвертичными отложениями и охватывает пониженные части Картли и Кахетии.

Набухающие глинистые породы встречаются обычно на территории Восточной Грузии,что объясняется специфическими геоморфологически-ни условиями района. Они занимают обширные территории'и представляет собой один из наиболее'распространенных типов четвертичных отложений. Образуются из наносных отложений делювиального .аллювиаль-,..ного и пролювиального генезиса.

Наибольшим распространением пользуются делювиальные и делюш-> ально-пролювиальные комплексы пород.

Исходя из геоморфологических и климатических условий,а также состава и свойств набухающих по род, территорию Восточной Грузии можно разделить на три основных района: бассейн р. Куры .бассейн р.йори . и бассейн р. Ала за ни.

Набухающие свойства исследуемых глинистых пород показаны в таблице I.

Изучением природы сложных явлений .во зникающих при взаимодейст- . вир глинистых пород'с водой и при их высыхании, занимались многие исследователи (Н.М.Герсеваков; Г.И.Покровский; С.В.Нарпин; Б.Ф.Вель-тов; Б.В.Дерягин; А.П.Рвбиндер; Н.Я.Денисов; Е.М.Сергеев; И.В.Попов; И.М.Горькова; Ф.Д.Овчаренко и др.).

Первоначально уменьшение объема порода при высыхании его на воздухе объяснялось испарением вода из породы и уменьшением его влажности вследствие вытеснения влаги капиллярным- д(йвлением,приложенным ко всей высыхающэй поверхности образда.С этих же позиций трактовалось и набухание,причина которого заключалась в упругом расширении пор между мельчайшими частицами .обусловленном проникновением вода в юроду и,как следствие,устранением капиллярного давления в результате исчезновения менисков.

. Анал з существующих исследований показывает,что имеющиеся теории набухания глинистых пород носят два направления: физико-механичес-. кое и физико-химическое.Физико-механическое направление основывается на капиллярной теории,а второе направление исходит из физико-химического характера взаимодействия глинистых частиц с водой.

В настоящее время признается, что в развитии набухания огромную роль играют не только адсорбционные,но и осмотические явления. ^

• _____________________Тсблт,. I

Районирование территории Восточной Грузии по степени набухаеыости глинистых пород

Цесто отбора и генезис

Величина Давление Виды пород

свободного набуха-

н&буханил, ния,

5 3 6 ,Иа

н Н

I.с10* глины плотины на р.Чочиани . ,

' 2. ¿0 глины плотины Ипнари

3. И*/ глины плотины Яглудш

глины плотины Яглудха

5. с10 глины плотины Самглетис-Хеви

6, глины плоти--ны Самглетис-Хеви

?. <1А глины плотины у села Дигоыи

8. ¿0 глины плотины Зилича

9. (15 глины плотины Дакбе

10. (1 глины террасы р. Куры

II. (1Я глины плотины Архашенис-Хеви

13. 0,16 Средневабухавщи»

14- 0,20

15 0,25 —

13 0,12

II 0,10

12 0,15

16 0,23 Сильнонабух аащие

10 0,14 Средненайухающи?

II 0,10

21 0,30 Сильнонаб ухающие

15 0,16 Средненабухающие

. К набухающим относятся глинистые породы, которые при заыачиван водой увеличиваются в объеме. Это свойство глинистых пород предопределяется гидрофильнш характером глинистых минералов, их большой удельной поверхностью и структурами особенностями влемект&рных частиц.

Явление набухания или увеличения объема породы при поглощений влаги проявляется главный образом у высокодисперсных глинистых пород.

Набухание глинистых пород является слоадъв* физико-химическим процессом и с точки зрения термодинамического подхода объясняется

возникновением сил "расклинивающего" давления на границе твердой и жидкой фаз пород газличной природа. Гиде ля ют адсорбционную "осмотическую" и структурную,составляющие "расклинивающего" давления при набухании пород.Набухание пород начинается с адсорбционного процесса поглощения шаги породой и заканчивается в основном при , влажности пород близкой к максимальной гигроскопической.

Процесс набухания возникает на базе расклинивающих действий гвд-ратных пленок и эффекта осмотического давления.Причиной,вызывающей набухание,является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде .окружающей породу.Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации раствора,находящегося в порах порода,происходит набухание порода.При наличии шсокой пористости образца,т.е.когда поры занимают больший объем,чем осмотическая вода и в нем ысжет присутствовать еще и капиллярная вода,то в этом случае,под действием сжимающих капиллярных сил возможно но набухание,а уменьшение объема образца.

Увеличение объема при набухании пород сопровождается уменьшением структурных связей между коллоидами и глинистыми частицами,что в свою очередь обусловлено уменьшением ионно-электрических структурных связей.

Набухание пород при замачивании приводит к проявлению деформаций сооружений,возведенных без проведения специальных мероприятий.

Как известно,водохранилища,созданные для гидромелиоративных целей,отличаются тем,что за сезон наполняются и опорожняются.Для некоторых водохранилищ этот процесс за год повторяется дважды и более.Процесс опорожнения й наполнения водохранилища оказывает весьма отрицательное воздействие на прочностные показатели пород.Из-за набухания пород изменяются физико-механические .свойства,в частности, уменьшаются прочностные и деформационные показатели,кроме того, возникает в породе определенное давление - давление набухания. • Неучет величины давления набухания при строительстве плотин может привести к деформациям сооружений.Поэтому,конструкция плотины должна учитывать погашение давления набухания.С целью предотвращения деф^рлации верхового откоса вследствие набухания его следует прикрывать цригЬузочннм слоем из гравелисто-галечниковых или обломочных скальных пород.

Глава П*. Природно-ге©логические условия строительства земляных плотин в Восточной Грузии

, Климатические условия Восточной Грузии определили строительство широкой сетиоросительных систем.Особое внимание заслуживают такие

крушив оросительные системы как Тирипонская.Самгорская и Алазан-ская.-------------------------------------------------------------

Во второй главе диссертации рассмотрены природно-геологические условия земляных .плотик,потоке расположены на территории Восточной Грузии в восьми административных районах.

В геологическом строении рассматриваемой территории 1)стречаются третичные и четвертичные отложения.

Четвертичные отложения,перекрывающие большие площади,чрезвычайно разнообразны.Представлены морскими,речными и пролювиальными осадками,а также ледниковыми,озерными,элювиальными и делювиальными отложениями. Особенно широхсо распространены речные аллювиальные отложения , шполняидие поймы рек и слагающие речные террасы и аккумулятивные равнины в пределах межгорных депрессий.

Что касается делювиального,элювиального и пролюшального покрова,представленного глинистыми набухающими породами,то мощность его весьма изменчива,варьируя от нескольких десятков см до 20-25 м.

На территории Восточной Грузии широко распространены подземные вода.

Особое внимание заслуживают два водоносных горизонта: водоносный горизонт современных аллювиальных отложений и водоносный горизонт делювиалыю-пролювиальных отложений.

Первый горизонт распространен широко в низменных равнинных и предгорных частях района.Приурочен он к аллювиальным пескам,галечникам и супесчаным образованиям,слагающим русла пойми и порше надпойменные террасы.Речше долины сложены аллювиальными образованиями и поэтому данный горизонт имеет повсеместное распространение в пределах р.р.Куры.Иори и Алазани и их многочисленных притоков. Горизонт характеризуется очень переменчивыми мощностями.

.Водоносный горизонт делювиально-пролювиальных отложений имеет прерывистое распространение в ввде малых участков на пологих склонах и у подножий над террасовыми образованиями.Горизонтом служит маломощный поток подземных вод с резко изменчивым режимом.Питание водоносных горизонтов происходит за счет атмооферных осадков,поверхностного стока н талых вод.

Из современных геологических процессов и явлений,которые связаны с процессом набухания глинистых пород,можно выделить оползневые явления.

Основным фактором развития оползней является переувлажнение ин-фильтрационными водаминабухающих глинистых по род, слагающих мм однородных аеияяных пжоян.

ю

При эксплуатации водохранилища,в связи с неоднократным водона-сыщением по род, коренным .образом изменяются инженерно-геологические условия склонов,что обусловлено высоким уровнем воды в водохранилище и быстрой и значительной сработкой.Дри таких условиях ожидается многократное изменение влажности набухающих глинистых пород о понижением 'показателей их фузико-механических свойств,а также возникновение фильтрационных сил при быстрой сработке водохранилища.

Процесс наполнения и опорожнения водохранилища оказывает весь. ыа отрицательное воздействие на прочностные показатели набухаищих ' . глинистых по род, слагающих тело однородных плотин.Не учет этих явлений может привести к значительным деформациям сооружений.

,Глава Ш. Физико-механические свойства набухающих глинистых пород района

ЕЬбор пород для возведения тела плотины,устройства противофияьт-рационных элементов,обратных фильтров и дренажей,производят на основании технико-экономического сопоставления вариантов.При этом учитывают физико-механические характеристики пород',климатические условия строительства,местоположение карьеров,удобство разработки пород в карьере,транспортировку к месту строительства и укладку в сооружение.

Пригодность пород для возведения отдельных элементов плотин того или иного типа оценивают по гранулометрическому составу,физико-механическим и химическим свойствам,учитывая при этом опцг использования аналогичных пород.

Физико-механические свойства набухающих глинистых пород были определены согласно существующих ГОСТов. ■ .

Сложный характер минерального состава набухающих глинистых пород Восточной Грузии потребовал комплексного их изучения.Опредег дение состава глинистых минералов производилось мет од сил окрашивания органическими красителями и электронно-микроскопическими исследованиями.

Минеральный состав крупных фракций значительного влияния на ин-генврно-геологйческие овойства набухающих пород не оказывает,а, лишь помогает в уточнении вопросов их генезиЬа.Поэтому,основное внимание щ>е изучении минерального состава исследуемых набухающих . пород в инженерных целях,уделялось исследованию тонкодисперсной части породы.

Как показали исследования,в набухающих глинистых породах,гли-

нистые минералы представлены в основном монтморилонитовым- типом. Исключение составляют лишь делювиальные глиш земляной плотины на р.Чочиани и делхшиалыше глины водохранилища Зшшча.в которых преобладающим типом .является гидрослкда.

В глинистых породах тленно глинистые минералы имеют руководящее значение в определении их физико-механических свойств. Свойства глинистых пород определяются минеральным составом их тонкодисперсной части и активным уизико-химическим взаимодействии последней о водой.

По гранулометрическому составу исследуете набухающие породы меняются в весьма широких пределах. Соде ржание песчаной фракции находится в пределах 13-26 Исключение составляют лишь делювиальные набухагацие Глинистые порода правобережной террасы. р.Куры и делювиальные глины плотины водохранилища Лакбе,в котодк содержание песчаной фракции составляет 5-7 %.

Содержание шлеватой фракции составляет 16-42 %,а глинистой фракции,предопределяющей набухаемость этих пород,48-77 отдельных случаях содержание глинистой фракции составляет 35-47 %.

По мере увеличения содержания глинистых частиц,величина свободного набухания увеличивается,ибо,чем больше в породе глинистых частиц, тем выше содержание глинистых минералов и тем больше количество связываемой породой воды.

На рисунке I нанесены значения величины свободного набухания исследуемых пород.

Засоленность пород предопределяется совокупностью климатических, гидрогеологических и геоморфологических факторов в процессе генезиса и формирования пород.

Исследования показали, что содержание легко растворимых солей колеблется в широких пределах от 0,044-0,063 % рр 1,471-1,986 %.

Содержание среднерастворимых солей (гипса) меняется также в веоьма широких пределах.

Особое внимание заслуживают набухающие глинистые порода земляной плотины Архашенис-Хеад в Сагареджойском районе.

Загипсованность набухающих пород,предназначенных к отсыпке на глубине до 6 м составляет 10-16 %,& средний показатель загипсован-ности ГО-ыетровой толщи смешанных делювиальных и нижележащих майкопских глин составляет 0,413-3,402 % в среднем 1,788 %). , Ш> нашей рекомендации разработку карьера этих пород было решено осуществить одним забоем,высота которого предопределяет смеши- ■ вааив делювиальных и нижележащих майкопских глин в соотношении 1:1,

га

Рис.1. Зависимость набухания от содержания глинистой фракции

Эхе обеспечивает уменьшение' общей загипсованности до 1,788 % ш исключает образование локальных зон в теле плотины с повышенным содерканием гипса. . "

Природная влажность набухающих пород в карьерах неодинакова.В одних случаях низкая «10 %,& в глинах правобережной терра-

сы р.Куры составляет \*/ПР »14 %.Ъ других случаях карьерные породы из-за местных геоморфологических и гидрогеологических условий переувлажнены \</т =31-36 %.

Мадошгажкые набухающие породы характеризовались более высокой плотностью скелета 1,37-1,60 г/см8,а переувлажненные породы - более низкой 1,16-1,36 г/см8.

Третья группа карьеров характеризовалась промежуточными показателями природной влажности V р «19-26 % и плотностью скелета . 1,48-1,59 г/с«9.

Плотность частиц исследуемых набухающих пород составляет 2,672,76 г/с«3.пористость 41-57 %,коэффициент пористости 0,698-1,34, а степень водонасыщеюш 0,304) ,90.

Влажность на пределе текучести составляет 36-52,на пределе рас-

катываняя 18-28,а число пластичности 17-28.

Эти показатели согласно СНиЛа II.15-74 характеризуют нсследуе-мне породы как глины.По показателю консистенции,исследуемые породы относятся к те куче пластичной, тугопластичиой, полутвердой и твердой консистешдаа.

Высокая влажность значительно уменьшает набухаемость глинистых пород,а при природной влажности равной влажности набухания,набухаемость исключается.

Набухание исследуемых пород определялось в приборе ПНГ конструкция A.M.Васильева (согласно ГОСТа 24143-80).

За показатель набухания пород принимали величину набухания,выраженную в процентах от пеовоначального объема породы.Величина свободного набухания исследуемых пород находится в пределах 10-21 %, и она тесно связана с их составом и состоящем; чем больше в породе глинистнх частиц,тем больше величина его набухания; набухание пород в сильной степени зависит от естественной влажности; при увеличении естественной влажности набухание умёньшается.

Водопроницаемость исследуемых пород определялась в лабораторных условиях.Коэффициент фильтрации исследует.щх набухающих пород колеблется от 1,9.10"'' см/сек до.7,9.10 см/сек.

Глава ТУ. Экспериментальные исследования ушштняемости и деформации набухающих глинистых пород рассматриваемых объектов

Оптимальная влажность исследуем набухаюпдо: пород меняется от 17 до 26 оптимальная плотность влажного грунта - от 1,85 до 2,06 г/см3,скелета - в пределах 1,51-1,73 г/см3,пористость - от 36 до 44 коэффициент пористости - от 0,555 до 0,801,а степень водонасыщения - от 0,75 до 0,98.

Сопоставление данных природной и оптимальной алажносгей показывает, что в одном случае требуется высушивание карьерных пород до оптимальной влажности,в другом - требовалось доувпажнение.в третьем - природная и оптимальная влажности были равны.

Из исследуемых карьерных пород 45 % требовали доувлажнения, 36 % - высушивания и лишь 19 % тлели влажность,близкую к оптимальной.

По данным Е.А.Сорочана.в искусственно уплотненных породах,зависимость набухания от плотности отличается большим своеобразием. Связанные породы при оптимальной влажности,хде плотность скелета

более 0.95Р. .практически становятся водонепроницаемыми.Перед-Jaimt

I 4

вижение вода в таких породах ограничено или вообще не происходит и поэтому набухание их невелико.

Проведенные исследования показали,что по мере увеличения плотности, величина дарения набухания возрастает.Опыты,проведенные над образцами при одинаковой влажности,но с разными плотностями показали,что увеличение плотности скелета порода приводит к увеличению давления набухания.

В таблице 2 сведены значения величины свободного набухания по- -роды .имеющей одинаковую влажность,но при разной плотности.

Таблица 2 Величина свободного набухания пород

Набухание

После набухания

порода

влажность,

Плотность г/см3

влажность,

Плотность . г/см3

Величина свободного на-

/О влажного скелета влажного скелета бухания Ща

17 ,0 1,60 1,36 аз 1,58 1,16 0,064

IV ,0 • 1,75 1,48 32 1,72 1,30 0,085

17,0 1,80 1,54 31 1,78 1,36 0,098

17,0 1.85 '1,56 28 1,83 1,43 0,103

17,0 1,90 1,60 27 1,85 . 1.45 0,112

17,0 1,95 1,66 26 1,86 1,47 0,126

17,0 2.00 1,70 25 1,85 1,48 0,150

Глины с заданной плотностью при природной влажности

Как видно из таблицы,увеличение плотности породы приводит к увеличению величины свободного набухания,т.е.плотность породы и величина свободного набухания находятся в пропорциональной зависимости.

При механическом нарушении структуры породы появляются благоприятные условия для передвижения влаги и набухаеыость возрастает пропорционально возрастанию плотности.Это положение является руководящим фактором,необходимым для.учета при назначения проектной плотности набухающих пород.

Для установления деформационных свойств пород были проведены компрессионные иопытания.как при оптимальной плотности-влажности,

так и в водонаскщенном состоянии,при уделышх давлениях Р =0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 в 0,8_Ша.__________________________________________________________

На оснсгвании полученных данных можно заключить,что деформационные свойства набухающих глинистых пород зависят в основном от влажности и структурах связей. В набухающих породах структурная прочность,характеризуемая давлением начала сжатия,обусловлена двумя факторами - влажностью и природной прочностью связей скелета.

Образцы до роды,имеющие влаяюсть, близкую к влажности набухания, не обладают структурной прочностью,так как в процессе набухания практически полностью нарушаются структурные связи.

Пористость набухапцих пород зависят в первую очередь от природной влажности; коэффициент пористости при малых ступенях нагрузки из-за набухания увеличивается, а за тем, по мере увеличения нагрузки,уменьшается.Набухание вызывает уменьшение плотности скелета,но с увеличением .нагрузки происходит консолидация породы и уплотнение ее по сравнению с исходным значением.

С целью установления прочностных свойств были проведены испытания на сдвиг,как для образцов оптимальной плотности-влажности,так и при полном водонасыщении и свободном набухании,со гласно ГОСТа 12248-78.

При оптимальной плотности сухой породы 1,51-1,УЗ г/см3 угол внутреннего трения составляет IV0 - 22°,а сцепление 0,06-0,14 !Ша. При уменьшении плотности скелета в процессе свободного набухания до 1,26-1,49 г/см3 наблюдается значительное уменьшение угла внутреннего трения до 6°-10°,а сцепления до 0,02-0,055 МПа.

При взаимодействии с водой прочностные характеристики набухающих пород уменьшаются вследствие разрушения структурных связей.

Увеличение толщины гидратнвд пленок воды вокруг частиц приводит к тому, что при сдвиге частоты не контактируют между собой и плоскость сдвига находится в гпдратном слое.

Резкое уменьшение прочностных показателей,угла внутреннего трения и сцепления,образцов пород оптимальной плотности-влажности после свободного набухания позволяет заключить,что использование набухающих пород при отсыпке земляных плотин допустимо только при условии невозможности свободного набухания.

Испытания для определения коэффициента фильтрации из-за весьма низкой водопроницаемости набухающих пород проводились под высокими градиентами давления (порядка 21-25).

Согласно данным испытаний,коэффициент фильтрации исследуемых набухающих пород находится в пределах 1,34.Ю - 5,54. Д)-/ см/о

или 1Д6.Ю"4 м/сут.

Таблица'3

Зависимость коэффициента фильтрации от плотности

Название объекта Влажность 11Л0ТН0СТЬ, г/см3 Пористость, Коэффициент фильтрации, К

* влаж- скалено го та * см/о и/сут -

1.(10, глины плотины на р.Чо-чиани 26,0 1,94 1,54 43,0 1,3. В)"7 1.12.ДГ4

2. 26,0 1,87 1,48 46.0 1,8,ИГ7 1.55.Ю-*

Как видно из таблицы 3 .после набухания величина коэффициента фильтрации изменяется незначительно.

Фильтрационные испытания подтверждают целесообразность использования набухающих пород для отсылки прлтивофилырационншс элементов (экран,ядро.понур и др.).

Как было отмечено ранее,процесс наполнения и опороннения водохранилища мокет вызвать деформации однородных плотин,возведенных из набухающих пород.

С целью предотвращения деформации верхового откоса вследствие набухания его следует приковать пригрузочным слоем из гравелвсто-галочниковых или обломочных скальннх пород.

Толщину пригрувочного слоя следует подобрать таким образом,чтобы обеспечивалось погашение давления набухания.Это будет обусловлено в том случае,когда давление от лригрузочыого слоя будет равным иди будет превышать давление набухания.Согласно атому положению, толщину пригрузочного слоя следует рассчитывать по следующей зависимости:

пр п

Ул

ПР

аде: Н

ПР

- толщина притрузочного слоя,в м; бн - давление набухания, в Ша; рд - проектная плотность материала пригрузочного слоя.

На основе рекомендаций,выданных Грузгипроводхозу о целью обоо-

Рис.2. Схема конструкции плотин из набухающих пород

нования проектов земляных плотин,из набухающих пород для разных гидромелиоративных объектов,выделяются следующие основные типы (рас.2):

1 - земляная плотина из граваписто-галечниковых пород с водонепроницаемым ядром из набухающих глин;

2 - земляная плотина из гравелисто-галечншювых пород с наклонным экраном из набухающих глин и с пригрузочным слоем на верховом откосе из гравелясто-галечнико шх и обломочных скальных пород толщиной Нпр ;

3 - земляная плотина из набухающих глин и с пригрузочным слоем на верховом откосе из граввлисто-галечниковых пород или обломочных скальных пород толщиной Нпр и с защитным слоем на низовом откосе;

4 - земляная плотина из набухающих глин и с пригрузочным слоем на верховом и защитным на низовом откосах слоями из галечников и с центральной водопроницаемой призмой из песчаш-гравелистых пород.

При набухании значительно уменьшаются прочностные показатели по род. Если подвергать породу поочередному высушиванию и замачиванию, то первоначальная прочность значительно уменьшится. Много численные опыты по определению у.ла внутреннего трения набухших,содержащих песчаные фракции,глинистых пород ^ и их. сопоставление с углом внутреннего трений при оптимальной плотности-влажности ¥ позволили определить их зависимость следующим выражением:

нК >

/ . ■

где: и ^ -углы внутреннего трения пород в набухшем

состоянии и при оптимальной плотности-влажности;

К - эмпирический коэффициент определяется по выражению:

ОПГ н' ош И''

£опт и , 60пт и &п -соответственно коэффициенты пористости и показатели консистенции при оптимальной плотности я в набухающем состоянии.

Граничные условия формулы следующие:

^ВД «.„»'и » V..»

2. при Ен =2 практически К -*0 и

Углы внутреннего трения в набухшем состоянии,полученные опытным путем я рассчитанные во Формуле,удовлетворительно совпадаю*.

Использование зависимости дает возможность предварительной оценки изменяемости прочности« показателей набухающих глинистых пород.

оснонШЕ швода

1. Набухаемость глинистых пород отрицательно влияет на их прочностные и деформационные показатели .ограничивая этим возможность их применения в плотинах с режимом сезонного наполнения и опорожнения.

2. В настоящее время отсутствует нормативные докумепты в виде государственных стандартов,которые регламентировали бы возможность применения набухающих пород,кек материалов для отсыпки в тело земляных плотик.

Впервые научно обоснована возможность использования набухающих пород в качестве строительного материала для возведения гидромелиоративных водохранилищных плотин.

3. Предложена формула для предварительной оценки прочности на-бухакщеЗ глинистой породи по изменению угла внутреннего трения при различи« состояниях-

4. Разработана методика расчета толщины пригрузочного слоя на верховом откосе или на противофильтрадаонном элементе плотины,отсыпаемых из набухающих пород.

5. Рекомендованы четыре основных типа рациональных конструкций плотин из набухающих пород, во вводимых в гидромелиоративных целях.

6. Выполненные исследования открыли возможность использования предложенных автором конструкций плотин на ряде конкретных объектов и,учитывая при этом опыт применения в земляных сооружениях аналогичных пород,полученные результаты могут бить распространены для других регионов.

7. Использование набухающих пород в качестве местных строительных материалов дает значительную экономию капитальных вложений.

8. Для земляной во дох ранилищной плотины Лакбе, экономия капитальных вложений от использования н&бухащт. пород равна 961,3 тыс.руб., а годовой экономический эффект составляет 144,2 тыс.руб.

Оовошов содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абелвшвили Г.В. .Тевзадзе Т.В. .Гветадзе 0. В. .Абесадзе А.Г. "Опыт строительства плотин ирригационных горных водохранилищ в Грузии" .Сборник научных трудов ГрузНЖГиМ "Орошение в горных

и предгорныг условиях".Тбилиси, 1982 г.,с.5-7.

2. Ломсадзе М.Ш. .Хидешели Г.Н. .Абесадзе А.Г. "Роль и задачи инженерно-геологической службы при строительстве плотин из грунтов вых материалов в горных условиях".Тезисы докладов Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов.Строительство ГЭС в горных условиях.Ibra, 1982 г. ,с.П8-П9.

3. Абесадзе А.Г. "К вопросу обоснования проектов земляных плотин". Тезисы докладов' Всесоюзной конференции молодых ученых и аспирантов на тему: "Мелиорация и водохозяйственное строительство". Тбилиси,1983 г.,с.З-4.

4. Хидешели Г.Н. .Абесадзе А.Г. "Опыт проектирования и строительства водохранилища« плотин в условиях Грузинской ССР'.Краткие тезисы к Всесоюзному научно-техническому совещанию.Пути удетев-ления и ускорения строительства плотин из грунтовых материалов. Л.,1983 г.,с.22-23.

5. Ломсадзе М.Ш. .Абесадзе А.Г. "Набухающие грунты,используемые при отсыпке земляных плотин".Всесоюзшя научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов на. тему: "Пути эффективности мелиорируемых земель и водохозяйственное строительство". Тбилиси,1987 г.,с.120-122.

6. Абелишвили Г.В. .Тевзадзе Т.В. .Ггетадзе О.В. .Мусеридзе Н.О., Тадиашвили Д.С.,Абесадзе А.Г. "Роль и задачи инженерно-геологической службы в области водохозяйственного строительства в Грузии".Гидрогеология и инженерная геология в народнохозяйственном освоении территории Гругии.Сборник научных трудов Сектора гидрогеологии и инженерной геологии АН ГССР,труды вып. 10, "Мецкиереба",Тбилиси, 1988 г. ,5 с.