Оценка качества уплотнения грунтовых дамб неразрушающим сейсмографическим методом

УДК 622.02.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВЫХ ДАМБ НЕРАЗРУШАЮЩИМ СЕЙСМОТОМОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Н.Н. Абрамов, Ю.А. Епимахов, Е.В. Кабеев

Г орный институт КНЦ РАН

Аннотация

Для оценки качества уплотнения грунтов дамб в технологическом цикле строительства предложены критерии, основанные на взаимосвязи параметров сейсмических волн с уплотнением грунтов с использованием метода сейсмической томографии. Представлена методика и результаты ее использования при строительстве дамбы «Олений ручей» ОАО «СЗФК».

Ключевые слова:

уплотнение грунтов, сейсмотомография, скорость волны, допустимый диапазон, физико-механические свойства.

Исходя из требований обеспечения экологической безопасности горного производства, защитные сооружения типа грунтовых дамб сегодня широко применяются на горнорудных

предприятиях Кольского п-ова. Безопасная, безаварийная эксплуатация этих сооружений напрямую связана с возможностью возникновения в толще грунтов зон разуплотнения как при их строительстве, так и при дальнейшей эксплуатации сооружений. В условиях арктического климата Заполярья с возможностью внутреннего промерзания грунтов,

образования линз льда в зимнее время и их оттаивания в летнее, а также влияние грунтовых вод делают задачу локализации зон разуплотнения внутри уплотняемого слоя в процессе строительства достаточно актуальной, а контроль качества их уплотнения становится неотъемлемой частью всего технологического процесса строительства.

Принятые в настоящее время прямые методы оценки плотностных характеристик грунтов способами отбора проб, шурфов не дают полного представления о распределении плотностных характеристик как в толще грунтов, так и по протяженности сооружения. При мощности

грунтовой дамбы, составляющей более 2-3 м, эффективным является использование

оперативных методов поверхностной сейсморазведки с томографической обработкой данных, основанных на взаимосвязи скоростей сейсмических волн и уплотнений грунта [1].

К числу основных требований при разработке экспертной полевой методики оценки качества уплотнения грунтов дамбы можно отнести в первую очередь ее оперативность, определяемую регламентом технологии работ по уплотнению грунтов, и необходимую

достоверность. Для выполнения этих требований использован аналитико-экспериментальный подход, включающий два методических этапа:

• этап аналитической оценки допустимого интервала измеряемого параметра в

соответствии с проектными допусками на величину уплотнения грунтов;

• этап экспериментальной проверки достоверности оцененного допустимого интервала измеряемых параметров на специально созданном экспериментальном эталонном по уплотнению блоке замещенного грунта.

Согласно рекомендациям СНиП 3.02.01-87 [2], для контроля качества послойной укладки грунта, представляющей собой обычно смеси в различных пропорциях обломочного скального грунта и щебня, следует применять коэффициент (степень) уплотнения т - отношение плотности сухого грунта (р Сс) горной массы к максимальной плотности сухого грунта рстах, которая может быть достигнута при уплотнении. Тогда, чтобы избежать недоуплотнения, схема контроля должна удовлетворять условию:

т — тпроектн.5

где тпроектн. - коэффициент уплотнения, устанавливаемый проектом в зависимости от класса капитальности, конструктивных особенностей объекта и сейсмичности района.

К настоящему моменту накоплено много данных о соотношении между плотностью грунта р; и скоростями продольных волн Ур;. С достаточной степенью достоверности эти зависимости описываются степенным выражением вида:

р = а¥ в

г Рг ,

где а, в - эмпирические коэффициенты, определяемые при лабораторных испытаниях проб грунтов.

Тогда, с учетом (2), получим:

V / й

т = ( Р% )в

/ р тах

где Ур;, Уртах - текущее и максимальное значения скоростей продольных сейсмических волн в замещаемом слое грунта, соответствующие текущей и максимально достижимой плотностям грунта при уплотнении, км/с.

Таким образом, задача аналитического этапа сводится к определению допустимого диапазона скоростей (Ур; ^ Уртах), удовлетворяющего проектно заданному уплотнению т. Методика оценки Уртах сводится к следующему. Вначале оцениваются максимально достижимые плотности грунта рстах и допустимый интервал уплотнения (рстах ^ т рстах). Для этого можно использовать целый ряд известных методик [3, 4]. Установленный допустимый размах оценочных плотностных характеристик грунта позволяет определить и соответствующий ему размах допустимых характеристик непосредственно измеряемых параметров грунтов на площадке, т.е. скоростей упругих сейсмических волн. Для этого используются известные зависимости пористости грунта (трещинной пустотности) и скорости сейсмической волны [5]:

п. =

г р0 рг ' р0 р.даг 7

Скорость, Vр измер. км/с

где Уро - скорость продольной волны в скальной отдельности грунта;

Ур измер. - скорость продольной волны в грунте, измеренная в реальных натурных условиях;

Ур зап. - скорость продольной волны в заполнителе пор грунта (для воздуха Ур зап=0.30 км/с).

Для сухого грунта, принимая, что заполнитель порового пространства - воздух, графически эта зависимость представлена на рис. 1.

По графику легко оценивается искомый диапазон разрешенных скоростей в засыпке грунта, соответствующий заданным показателям пористости.

Во всех проведенных рассуждениях речь идет о показателях сухого грунта. Поэтому следующим методическим шагом становится оценка влияния фактической влагонасыщенности

обследуемого грунта на степень его уплотнения. Действительно, как известно, водонасыщение грунтов может, с одной стороны, образовывать зоны

разуплотнения и вымывания грунтов и, с другой стороны, при этом существенно увеличивать величину скорости продольной волны при измерениях. Тогда оценка степени уплотнения по этому показателю станет неадекватной. Для оценки фактического состояния грунтов используется Рис. 1. Взаимосвязь пористости грунта и скорости относительный показатель °тношения продольной волны скоростей сейсмических волн У/Ур, где

Ур, У8 - скорости продольной и

поперечной сейсмических волн. Соотношение скоростей продольной и поперечной сейсмических волн, как известно [5], позволяет оценивать коэффициент Пуассона среды (коэффициент поперечной деформации) - характеристику состояния и деформируемости среды. Он определяется согласно выражению:

V = (1 - 2 • %2)/2 • (1 - 2),

/ р / / р

где V - коэффициент Пуассона среды;Ур, У8 - скорости продольной и поперечной волны, соответственно.

Диапазон изменения коэффициента Пуассона от 0 до 0.5 охватывает весь возможный спектр состояний среды от упруго-хрупкого, характерного для коренных скальных горных пород (V = 0-0.25), до пористо-пластичного состояния с характерными значениями коэффициента Пуассона 0.30-0.35 (щебень, пески, глины и пр.). Для жидких сред величина V приближается к 0.5. Таким образом, влагонасыщение грунтов способствует росту величин коэффициента Пуассона среды. Согласно данным РСН 66-87 [6], для смесей обломочных грунтов и морены разница в показателях У8/Ур сухих и водонасыщенных грунтов может достигать 6-7 раз, что обеспечивает надежность оценки влияния водонасыщения на данные натурных измерений.

Обязательное условие адекватности применения предлагаемых геофизических показателей - предварительная их отработка и уточнение в специально созданном на участке дамбы эталонным блоке грунта с проектными показателями уплотнения.

С использованием сейсмотомографической обработки, как показали результаты проводимых исследований, детальность сейсмических разрезов для грунтовых плотин существенно повышается (до 0.5-1.0 м), что вполне достаточно при решении инженерных задач. Получаемые в результате мониторинга детальные распределения скоростей продольных и поперечных упругих волн в вертикальных сейсмических разрезах в теле дамбы, дают информативный материал при анализе вариаций свойств и состояния грунтов плотин. При этом решаются следующие задачи:

детализация внутренней структуры тела дамбы и ее основания с выявлением структурных аномалий с учетом конструкционных особенностей, причем нарушенные зоны оснований

диагностируются локальными снижениями высотных отметок плотных грунтовых слоев плотин и образованием «воронок» (провалов) на томограммах скоростей сейсмических волн;

выявление и локализация разуплотненных зон в разрезах дамбы, в зонах аэрации, в береговых зонах примыкания, по границам с основаниями;

оценка физико-механических свойств грунтов (плотность, пористость) в натурных условиях эксплуатации гидро-технических сооружений.

Томографическая обработка сейсмических данных выполняется с помощью пакета программ «Х-Томо» (разработка Х-ОеоОё). Сами измерения выполняются с использованием многоканальных цифровых сейсмостанций.

Наиболее часто применяемый тип данных - относительные задержки сейсмической волны в обследуемой среде. Используя разработанные геофизические показатели, методика позволяет сопровождать мониторинг состояния грунтовых сооружений, локализовывать в них разуплотненные зоны. Прямая кинематическая задача - это задача трассировки лучей в заданной скоростной модели при заданной конфигурации источников и приемников волн. Базовый алгоритм трассировки ХТото основан на фундаментальных законах волнового движения - принципах Гюйгенса и Ферма.

Решение обратной задачи реализует томографическое обращение, т.е. оптимальный подбор скорости на решетке с фиксированной геометрией. Основное предположение сейсмической томографии состоит в том, что невязка времен, связанных с лучом, вызвана, в первую очередь, вариациями скорости, а во вторую - локальным изменением траектории луча. Методика контроля была реализована при строительстве защитной дамбы хвостохранилища «Олений ручей» ЗАО

Вмещающие моренные грунты по объекту «Олений ручей» имеют следующие наименования: песок гравелистый; гравийный грунт; песок пылеватый. В данном случае, для определения допустимого интервала скоростей сейсмических продольных волн использованы результаты лабораторных определений физико-механических свойств грунтов. Последние были получены специалистами минералогической лаборатории «Кольского геологического информационно-лабораторного центра» по 17 пробам.

Очень важным моментом методики геотехнического контроля, как упоминалось выше, является установление граничных значений величин скоростей упругих сейсмических волн в грунтах отсыпки, а для контроля качества послойной укладки грунтов следует применять коэффициент (степень) уплотнения т. Согласно существующему проекту строительства, коэффициент уплотнения грунта в толще засыпки должен быть в пределах т = 0.95-1.0.

Первая задача состоит в корректном выборе величины ротах.

Как уже упоминалось, при определении максимальной достижимой плотности грунта рстах используется целый ряд способов. Уплотнение грунтов под действием работающего виброкатка происходит только в результате сближения частиц скелета. Под влиянием внешнего воздействия на контактах частиц возникают сжимающие и сдвигающие силы. При определенной интенсивности этого внешнего давления начинается перемещение отдельных частиц, и они укладываются плотнее. При этом объем пор уменьшается, а плотность грунта увеличивается. Для подобной технологии и типов грунтов целесообразно использование методики ВНИИГа (г. С-Петербург) [3], по которой максимальная плотность сухого разнозернистого грунта может рассчитываться из выражения:

где р0 - плотность твердых частиц грунта (удельный вес), например, для кварцевого песка,

диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 60% частиц; с110 - то же, для 10% частиц.

Определяется на основе оценки грансостава грунтов по результатам лабораторных

«СЗФК».

составляющего основу используемой для засыпки морены, р0= 2.67 г/см3; Кб0,10= с1б0М10, где сЬ0

определений. Для испытанных 17 проб грунта: Кб010: Минимально допустимая плотность скелета:

(15.0 - 33.6), 22.7 ’

; Ротах 195г/см .

Рстіп= Рсшах* т= 1.95^ 0.95= 1.85 г/см3.

Допустимая минимальная пористость грунта составит:

Пшіп=(2.67-1.95)/2.67= 0.27

Если принять, что заполнитель порового пространства грунта отсыпки - мелкодисперсные фракции грунта с вариацией скоростей Ур зап = 0.18-0.25 км/с, теоретический допустимый диапазон изменения скоростей волн в грунте, исходя из заданной пористости грунта, определенной по известному выражению (4): пшах=(2.67-1.85)/2.67= 0.31, составит Уршіп = 0.6-0.8 км/с.

Для построения скоростных разрезов использована регистрация времен первых вступлений преломленных сейсмических волн при продольном сейсмическом профилировании поверхности участка.

Сейсмоизмерения производились с использованием 24-канальной цифровой сейсмостанции «ЕПІ88» (сертификат соответствия рег. № ССГП 01.1.1.-125). При проведении сейсмического профилирования установлены следующие параметры регистрации: окно частотного диапазона аппаратуры - до 500 гц, период дискретизации - 0.5 млс, длина записи - до 1.0 сек., шаг расстановки сейсмоприемников - 2.0 м, длина одной расстановки сейсмоприемников (24 шт.) - 46.0 м. Расчеты скоростных кинематических разрезов при моделировании и при обработке данных натурных наблюдений выполнены с использованием программного томографического пакета «ХТото». В качестве начальной скоростной модели среды выбрана трехслойная среда с параметрами скоростей, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики грунтовых слоев отсыпки дамбы, принятые для кинематической модели

Тип грунта по состоянию Диапазон скоростей У8, км/с Диапазон скоростей Ур, км/с Характеристика слоя грунта

1 0.15-0.30 0.2-0.50 Пески сухие,

2 0.15-0.30 0.60-0.9 Уплотненная морена

3 0.6-0.8 1.-1.8 Коренная морена

Приведенная дифференциация грунтов по состоянию в зависимости от величин скоростей продольной волны является эмпирической. Аналогичным образом выполнена дифференциация грунтов по степени их увлажнения, исходя из показателя У8/Ур (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики грунтовых слоев отсыпки дамбы по показателю У)/Ур

Тип грунта по состоянию Соотношение У8/Ур Коэффициент Пуассона, ц Характеристика слоя грунта

I 0.26-0.35 0.42-0.45 сильно увлажненные грунты

II 0.36-0.44 0.35-0.40 грунты увлажненные, плотные

III 0.45-0.62 0.25-0.35 грунты плотные, естественной влажности W=7-10%,

В качестве примера, на рис. 2а,б - результаты измерений и последующей сейсмотомографи-ческой обработки в виде вертикальных разрезов изменений скоростей продольной волны и соотношения У/Ур для одного их профилей для эталонного и контролируемого участков дамбы.

Цветовой палитрой выделены зоны различных интервалов скоростей продольных сейсмических волн. Как видно из томограмм, реальный диапазон скоростей близок ожидаемому и составляет 0.40-1.8 км/с. С ростом глубины от свободной поверхности к основанию коренной морены наблюдается рост величин скоростей, обусловленный ростом плотности грунтов дамбы за счет естественной гравитации, уплотнения и увлажнения. Более низкие значения скоростей характерны для верхней части разрезов в зоне аэрации. В то же время довольно отчетливо прослеживается характеристическое, наиболее частое значение скоростей, присущее верхней части всех

представленных разрезов. Это интервал скоростей Ур= 0.60-0.90 км/с. Как показано выше, для данных грунтов этот интервал характеризует наибольшую реальную сжимаемость скелета грунта под воздействием внешнего уплотнения. Такое состояние грунтов свидетельствует о кондиционности их уплотнения. И наоборот, принимаем участки разрезов, характеризующиеся скоростями Ур< 0.60 км/с, как некондиционные, недоуплотненные до проектных значений. Из приведенных томограмм видно, что подобные участки лишь фрагментарно фиксируются по профилю контрольного участка

Сопоставляя полученные экспериментальные данные, данные корреляций по лабораторным исследованиям, а также аналитические оценки, интервал «разрешенных» значений скоростей продольных волн в моренных насыпных грунтах дамбы Ур= 0.60-0.90 км/с можно считать обоснованным. Тогда, используя выражение для расчета плотностей грунтов естественной влажности из тарировочного графика лабораторных испытаний:

р = 2.10-Ур°'°7,

а плотность скелета грунта, исходя из уровня средней естественной влажности W= 8%:

Рс= (2.10-Ур007)/1.1 = 1.95-Ур007, можно получить расчетный диапазон реальных плотностей скелета грунта, оцениваемый по величинам скоростей для всего скоростного разреза дамбы.

а)

Пикетаж, м

Эталонный участок

190

10 15

б)

Пикетаж, м

20 25 30

35 40

45

Скорость Vp, км/с

Г" ср ю

о о о

Vs/Vp, км/с

2 1 Опытный участок

2 1754 * 1703 165 СО

5 10

15 20 25 30 35 40

45

175

170

165

10 15 20 25 30 35 40 45

0

5

3

II

0

5

0

1 _ грунты недостаточно уплотненные (Рс< 1.85 I - сильно водонасыщенные грунты (ц=0.42-

г/см );

0.45);

2 - грунты удовлетворяют условию уплотнения II - грунты увлажненные, плотные (ц =0.35-

(коэфф-т уплотнения ш = (1.0-0.95); рс = 1.851.95 г/см3,);

0.40);

III - грунты плотные, естественной влажности

3 - грунты плотные, естественная морена W=7-10%,

Рис. 2. Классификация грунтов верховой дамбы ГОКа «Олений ручей» по данным натурного геофизического обследования в эталонном и опытном блоках грунта по скоростям Ур

Наряду с оценкой уплотнения по скоростям продольных волн, на рис. 2б представлены данные об изменении соотношений У/Ур в вертикальных разрезах дамбы. Согласно принятым критериям,

в основном своем большинстве грунты опытного участка дамбы характеризуются как плотные с естественной влажностью W=7-10% (Ш категория рис. 2б). Из рисунка видно, что полученные экспериментальные данные на опытном эталонном участке дамбы позволяют классифицировать грунты засыпки по степени уплотнения и увлажненности на основе анализа изменения геофизических показателей сейсмических волн - скоростей продольных волн Vp и соотношений скоростей Vs/Vp, в соответствии с табл. 2.

В приповерхностной части дамбы контролируемого участка фиксируются участки скоростей по величинам, меньшим пороговых разрешенных значений (желтая палитра рис. 2). Они приурочены непосредственно к поверхности дамбы и не удовлетворяют требованиям достаточности уплотнения.

На пикетах 0-20 м профилей по показателям соотношения скоростей Vs/Vp фиксируются зоны намокания грунтов (светло-зеленая палитра рис. 2) в глубине толщи дамбы на отметке 170 м. В то же время глубинных разуплотнений в теле дамбы не установлено.

Таким образом, проведенный инструментальный сейсмотомографический мониторинг уплотнения грунтовой низовой дамбы ГОКа «Олений ручей», выполненный на различных высотных отметках гребня в процессе отсыпки дамбы, показал, в основном, полное соответствие показателей уплотнения грунтов проектным значениям. Диапазон допустимых плотностей скелета отсыпаемого грунта в приповерхностной толще составляет 1.85-1.95 г/см3, обеспечивая диапазон коэффициентов уплотнения m=0.95-1.0. Методика сейсмической пространственно-временной томографии (СПВТ) внедрена в технологический регламент строительства дамбы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамов Н.Н.Использование методов сейсморазведки при оценке качества уплотнения насыпных грунтов// Технологии сейсморазведки. 2009. № 2.С. 109-112. 2. СНиП 3.02.01-87 - Земляные сооружения, основания, фундаменты. Госстрой РФ.3. Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве, РД34 15.073-91. Л.: ВНИИГ,

1991.4. Рекомендации для проектирования и строительства каменноземляных и каменнонабросных плотин с применением способов упрочнения, П 15-74. Л.: ВНИИГ, 1975.5. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М.: Недра, 1979. 213с.

Сведения об авторах

Абрамов Николай Николаевич - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: abramov@goi.kolasc.net.ru Епимахов Юрий Александрович - д.т.н., зав. лабораторией; e-mail:root@goi.kolasc.net.ru Кабеев Евгений Владимирович - ведущий технолог; e-mail:root@goi.kolasc.net.ru