Уплотнение песков

УПЛОТНЕНИЕ НАМЫТЫХ ПЕСКОВ

Кроме возведения гидротехнических сооружений намыв широко используется для поднятия отметок территорий, имеющих затопляемые понижения в рельефе, и для образования за счет акваторий площадок, пригодных для различного использования. Так, в Киеве, в отдельных районах отметки поймы р. Днепра были повышены на 6- 8 м. Строительство Нового Белграда в Югославии на 220 тыс. человек производилось на месте прежнего болота, на которое уложен 5-метровый слой песка. За счет акватории в Ленинграде была создана площадка размером в 116 га для жилищного строительства. В США у г. Новый Орлеан в озере была намыта территория аэропорта, где было уложено 4,8 млн.м³ грунта и т.д.

При экспериментальном изучении процесса уплотнения песков основное внимание исследователей было уделено изучению продолжительности этого процесса и наблюдению за величинами осадок насыпей. Сведений об изменении инженерно-геологических свойств грунтов при их уплотнении обычно не приводилось, кроме некоторых данных по динамическому зондированию, использовавшемуся главным образом для контроля за ходом уплотнения насыпей, и материалов по камуфлетным взрывам, производившимся с целью выяснения характера разжижения песков (Огурцов, Дудлер, 1962; Дудлер, 1964), и некоторых других данных (Русинов, 1958).

Наблюдения за осадкой намывных и полунамывных плотин, построенных в США - Самерсет (высота 32 м), Девис Бридус (66 м), Гутсмен (20 м) и Дусерментаун (31 м) - показали, что за 12,5 лет осадка составляла в среднем 0,35-0,45% от высоты плотины, т.е. не превышала 10-30 см. Осадка щебенистого намытого массива высотой 2 м составила 0,07-0,47%, а аналогичного массива из гравелистых и крупных песков - 0,2-0,77%, т.е. не превышала 2 см.

Г.Мейергофом (Meyerhof, 1951) изучалось влияние предварительного уплотнения насыпи на ее конечную осадку. Хорошо уплотненные насыпи из крунозернистого песка и обломочных материалов дали осадку до 1% от первоначальной высоты насыпи. Менее уплотненные насыпи из этих же материалов дают осадку до 1,5%, а неуплотненные пески - до 2,5—3,0%. При объемном весе скелета 1,40- 1,60 г/см³ осадка в 3% соответствует приращению объемного веса грунта в 0,04—0,05 г/см³.

И.Я. Русинов приводит данные по одной из намытых площадок, указывая, что приращение объемного веса скелета песка через 3-4 суток после окончания намыва составило 0,01 г/см³, а спустя 8—10 суток - 0,02 г/см³. Аналогичные результаты были получены при исследованиях на Волжской ГЭС. Приращение объемного веса через 1 месяц после окончания намыва составляло 0,01 г/см³, а спустя 1-2 года - не превышало 0,01-0,02 г/см³.

Подобное изменение объемного веса в результате уплотнения намытых песчаных массивов подтверждается данными, приводимыми Б.Н. Шевелевым по одной из плотин, сложенной мелкими однородными песками. Осадка не превышала 1% высоты плотины, что при среднем объемном весе скелета 1,50-1,60 г/см³ соответствует его приращению примерно на 0,015 г/см³. Однако И.Я. Русинов (1958), наблюдая в течение 13,5 суток за осадкой намытых песчаных насыпей высотой 0,7-0,8 м, получил несколько иные результаты. Спустя 1,5-3,5 суток после намыва приращение объемного веса составляло 0,04 г/см³, а по прошествии 4,5-13,5 суток было отмечено его увеличение еще на 0,02 г/см³.

Эти наблюдения говорят также о том, что уплотнение намытых массивов небольшой мощности и сложенных песками с незначительным содержанием фракций пыли и глины, сопровождающееся уменьшением влажности, заканчивается вскоре после прекращения намыва примерно спустя 8—10 суток (для слоя менее 1м). Даже после того, как значения влажности намытого грунта приобретают устойчивый характер, процесс уплотнения во времени фактически продолжает развиваться далее. Значения влажности принимают устойчивый характер для гравелистых песков через 2—3 суток после намыва, а для песков средней крупности—более чем через 5—6 суток (до 10-13 суток).

Несмотря на некоторые расхождения в оценке степени уплотняемости намытых песков, в определении продолжительности процесса, мнения исследователей в основном сходятся - уплотнение намытых массивов (исследованной мощности), сложенных песками с незначительным содержанием пыли и глины, заканчивается в течение первого месяца после намыва.

С целью выяснения влияния уплотнения и последующего упрочнения намытых песков на изменение их иженерно-геологических свойств в начальный (до 2 месяцев после прекращения намыва), наиболее интенсивный период диагенетических преобразований нами были поставлены экспериментальные исследования на специально созданной опытной карте. Карта представляла собой котлован квадратной формы размером 20x20 м и глубиной 2,5 м, в который были намыты мелкозернистые, местами пылеватые, с включением крошки мела (3-5%) кварцево-полевошпатовые пески. Котлован был расположен на пологом склоне вдоль специально проложенного пульпопровода, имевшего два закрывающихся выпуска. У противоположной стороны карты находился водовыпускной колодец, закрывающийся специальным устройством. Карта была разбита на две группы опытных площадок, разделенных водосборным колодцем. Всего было исследовано 25 площадок, каждая размером 1x2 м.

Процесс уплотнения контролировался путем определения плотности песков режущим кольцом емкостью 1000 см³. Пробы отбирались начиная с 1-го дня после окончания намыва по 65 день. В пределах каждой опытной площадки отбиралось по 4 пробы (всего было отобрано 100 проб). По ним в лаборатории определялись плотность и влажность.

К моменту образования песчаного осадка его объемный вес составлял примерно 1,40 г/см³. К 5-8-му дню (после окончания намыва) он достиг значений 1,56-1,60 г/см³, а спустя примерно 1 месяц повысился до 1,60-1,64 г/см³. В дальнейшем изменение плотности стало незначительным.

По мере уплотнения песков их влажность неуклонно понижалась. При образовании осадка влажность достигала 28-30%, спустя 5-8 дней она понизилась на 8-10%, а примерно к 30-му дню после окончания намыва - до значений 12-14%, мало изменяющихся в дальнейшем, см. рис. 1.

Рис. 1. Изменение влажности песков во времени.

В процессе намыва осажденные из потока пульпы песчаные частицы, контактируя друг с другом, образуют первоначальный рыхлый осадок. В дальнейшем, под воздействием воды и собственного веса, происходят сдвиги и перемещения частиц, вызывающие их сближение. Имея большой удельный вес, частицы постепенно отжимают воду, что приводит к уплотнению осадка. По мере поступления новых порций песка образуется все более нарастающий по толщине слой, который своим весом уплотняет залегающий ниже осадок. Дренируемая через водосборные колодцы вода также способствует еще большему уплотнению намытого массива. Этот процесс интенсивно продолжается до почти полного удаления воды. В связи с тем, что водоотдача зависит от гранулометрического состава уплотняемого материала, мелкие пески уплотняются медленнее, чем крупные. Так как уплотнение песков определяется не только водоотдачей, то процесс продолжается известное время и после практически полного удаления воды, т.е. после того, как влажность их приобретает устойчивый характер.

Несмотря на явную тенденцию повышения плотности и уменьшения влажности по мере увеличения давности образования намытых песков, отмечаются случаи, противоречащие обшей направленности процесса. Являясь свидетельством неустановившегося характера процесса уплотнения песков в пределах рассматриваемого 2-месячного периода времени, они не позволяют выразить наблюдаемую тенденцию в виде строгой математической зависимости.

В общем случае можно считать, что продолжительность интенсивного уплотнения, учитывая условия проведения эксперимента, ограничивается весьма малым отрезком времени (12-15 дней), причем наиболее интенсивное проявление процесса приходилось на самые первые дни после окончания намыва.

Определение прочностных и деформационных свойств песков в первые дни после окончания намыва на опытных площадках производилось непосредственно с поверхности. В дальнейшем, с наступлением морозов, приходилось снимать верхний промерзший слой. Вначале мощность его составляла 20-40 см, впоследствии же приходилось удалять 80-100 см.

Удельное сопротивление пенетрации R в первый день образования песчаного осадка характеризовалось весьма низкими значениями - 0,136-0,231 кг/см² (среднее 0,186), что обусловлено прежде всего рыхлостью и водонасыщенностью осадка.

Наиболее интенсивный характер роста сопротивления пенетрации отмечен в течение первых 6-7 дней после окончания намыва. В этот период приращение R составляло за 1 день примерно 0,03 кг/см². В последующие 5-6 дней отмечалось уменьшение интенсивности роста R, хотя абсолютные значения изменения сопротивления пенетрации продолжали оставаться довольно заметными (приращение за 1 день 0,01-0,015 кг/см²). Эти два периода роста значений R согласуются с общей продолжительностью процесса интенсивного уплотнения.

Сопоставление значений объемного веса и удельного сопротивления пенетрации R после 12-13-го дня с момента окончания намыва позволяет предположить, что дальнейший рост значений R обусловливается не столько уплотнением, сколько упрочнением песков за счет возникновения и развития в них физико-химических процессов взаимодействия между частицами.

При исследовании песков динамическим зондированием использовался нестандартный молот весом 20 кг. В первые 5-10 суток после намыва значения N (показатель зондирования, уд/дм) составляли 1—2 удара на 1 дм. Спустя примерно 20-30-суток они возросли до 2-3 уд/дм, а через 2 месяца с момента окончания намыва достигли 4-5 уд/дм.

При определении сопротивления сдвигу песков использовались приборы вращательного среза конструкции Центрального научно-исследовательского института транспортного строительства (ЦНИИС Минтрансстроя) и Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) (попутно отметим хорошую сходимость результатов испытаний песков этими приборами). В среднем измеренные ими значения сопротивления сдвигу разнятся на 0,03-0,04 кГ/см² (несколько более высокие величины получены на приборе ЦНИИС Минтрансстроя).

К моменту образования песчаного осадка его сопротивление сдвигу (замеренное с поверхности, без пригрузки) составило примерно 0,05 кГ/см². По истечении 5-6 суток оно увеличилось вдвое (до 0,10 кГ/см²). К концу периода интенсивного уплотнения произошло дальнейшее увеличение значений прочности.

На полученные значения прочности в первые дни после образования осадка решающее влияние оказывает плотность песка и в меньшей степени его влажность. Спустя некоторое время (примерно к 15-му дню после намыва) к ним добавляется действие фактора возникновения и образования структурных связей в песке. Причем роль его заметно возрастает во времени, тогда как значение изменения плотности и влажности начинает играть все меньшую роль. Сложность и взаимосвязанность всех этих процессов чрезвычайно затрудняют оценку роли отдельных компонентов в уплотнении и упрочнении песка.

< Назад