Вопросы механической суффозии в гидротехническом, промышленном и гражданском строительстве

ВОПРОСЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ СУФФОЗИИ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ, ПРОМЫШЛЕННОМ И ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

MECHANICAL PIPING IN HYDROTECHNICAL, INDUSTRIAL AND CIVIL CONSTRUCTION

З.ГЛер-Мартиросян Z.G.Ter-Martirosyan

МГСУ

В статье рассмотрены причины возникновения и виды механической суффозии. Приведены результаты экспериментов, определяющих влияние суффозии на дефор-мативность и напряженно-деформированное состояние грунтов оснований зданий и сооружений.

In this article are considered the reasons for mechanical piping and its types. The results of experiments, concerning its impact on deformability and stress-strain condition of soils an dfoundations.

Известно, что в фильтрующих массивах грунтов, служащих основанием, средой или материалом различных сооружений могут развиваться процессы механической суффозии под воздействием фильтрационной силы, сопоставимой с силой гравитации. Фильтрационные силы влияют на напряженно-деформированное состояние (НДС) фильтрующего массива в целом и на механическую суффозию в локальных областях массива, где имеются большие градиенты напора. В результате меняются гранулометрический состав грунта, его плотность, деформационные и прочностные свойства

Все это приводит к изменению НДС фильтрующего массива грунта в целом и к концентрации НДС локальных областях, что в конечном итоге приводит к фильтрационным деформация (осадкам) и фильтрационному выпору.

Проблема фильтрационной деформации и устойчивости гидротехническом строительстве решается правильным подбором грунтовых материалов, укладываемых в тело плотины и выбором составов фильтров, переходных зон и дренажей, предотвращающих или минимизирующих механическую суффозию.

Для оценки суффозионности грунтов, служащих основанием или материалом гидротехнических сооружений в настоящее время используется методика ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и ВНИИ ВОДГЕО. Основными факторами, влияющими на суффозион-ность грунтов по этим методикам являются: зерновой состав, скорость фильтрации и градиент напора. Особое влияние при этом уделяется определению коэффициента раз-нозернистости, (^=d60/dl0), коэффициента неравномерности раскладки частиц

(к=1+0,05 определению значения диаметра частиц, которые могут быть вынесены фильтрационными потоками в результате суффозии (й™[ах — 0,77й™ах) [2].

Если й™ах < то грунт считается несуффозионным. Если > то

грунт является суффозионным, и из такого грунта могут быть вынесены частицы, диаметр которых меньше й™1П.

По методике ВОДГЕО значение разрушающего градиента суффозии для несвязных грунтов с коэффициентами разнозернистости ^>10 оценивают следующим образом. Зерновой состав условно делят на скелет с диаметром частиц больше 1мм и на заполнитель с диаметром частиц меньше 1мм и строят для них кривые зернового состава. По этим кривым определяют > ^10". В зависимости от этих диаметров, а также угла внутреннего трения заполнителя определяют значения разрушающего градиента ¿^азр по графику.

Расчетные значения осредненного критического градиента напора 1СГ т в основании гидротехнических сооружений с дренажом по СНиП 2.02.02-85 следует принимать по таблице №1.

Таб.1

Наименование грунта Расчетный средний критический градиент напора 1Сг,т

Песок: Мелкий Средней крупности Крупный Супесь Суглинок Глина 0,32

0,42

0,48

0,60

0,8

1,35

Количественная оценка суффозионности грунтов по методикам ВНИИГ и ВОДГЕО, обусловлена необходимостью обеспечения нормальных условий эксплуатации гидротехнических сооружений, в том числе для оценки суффозионного выпора грунта и размыва. Отмечается, что если допустить без ущерба для конструкции из грунта вынос мельчайших частиц от 3 до 5% по массе, то такой грунт можно считать практически несуффозионным. Поэтому критерием несуффозионности считается условие <й3 .

Однако на этом и ограничивается предложение по оценке влияния суффозии на сооружения из грунта. Очевидно, что для количественной оценки влияния суффозии грунтов оснований промышленных и гражданских сооружений (ПГС), которые более чувствительны к неравномерным осадкам необходим новый подход, позволяющий обеспечить нормальные условия их эксплуатации. Проблемы механической суффозии на основания ПГС возникла в последнее десятилетие с интенсивным освоением подземного пространства, устройством глубоких (до 30 м) котлованов и водопонижением. Кроме того с ростом глубины котлованов усиливается влияние суффозионно-карстовых явлений на глубоких горизонтах. Очевидно также, при этом потребуется количественная оценка влияния суффозии на механические свойства грунтов, т.е. на деформационные и прочностные свойства, необходимые для оценки НДС фильтрующего массива в целом и в отдельных частях

С этой целью на кафедре МГрОиФ МГСУ в последние три года были выполнены специальные экспериментальные исследования для определения влияния суффозии на деформационные свойства песчаного грунта [1,6,7].

В ходе испытания было установлено, что процесс выноса твердых частиц фильтрационным потоком сопровождается осадкой образцов. Это так называемая внешняя защемленная механическая суффозия. Вынос частично или полностью защемленных в грунтовом скелете мельчайших частиц нарушают внутренние связи в грунтовом скелете, что влияет на деформационные свойства грунтов. При непрерывной фильтрации в течении суток в условиях высоких градиентов, расход вынесенных твердых частиц Угв.ч. в песколовку составил 0,6 см3/час, что соответствует уменьшению модуля деформации в три раза. Расчеты показали, что при длительном испытании на суффозию модуль деформации может уменьшаться до 10 раз.

Важно отметить, что если увеличение осадки связано с ростом нагрузки, то при суффозии увеличение осадок происходит при постоянной нагрузке, и далее зависит от степени выноса частиц. Подробно результаты определения деформационных характеристик образцов грунта при фильтрации представлены в работе [1]. Ниже приводится таблица изменения деформационных свойств песчаных грунтов.

Результаты определения деформационных характеристик песчаных грунтов при фильтрации с учетом суффозии по данным Анисимова В.В.

Таб.1

п\п Вертикальная нагрузка Р, кг/см2 Осадка $ст , 5а/, ММ Относительная деформация статическая £ ст 8/Ъ0бр Относительная деформация при суффозии ^ ^обр- Ь обр Напряжение Ао=Р/Л, кг/см2 Модуль деформации Е= Aoxp/Aec т> МПа

1 2 3 4 5 6 7

Градиент i=0,8

11 0,05 0,06 0,0005 - 0,099 15,8

12 0,15 0,08 0,00066 - 0,298 36,1

13 0,30 0,09 0,00075 - 0,597 63,7

14 0,45 0,1 0,00083 - 0,895 86,2

Градиент i=4

15 0,05 0,5 0,0005 0,0042 0,099 1,8

26 0,15 0,7 0,00066 0,0058 0,298 4,1

27 0,30 0,8 0,00075 0,0066 0,597 7,2

28 0,45 1,0 0,00083 0,0083 0,895 8,6

Анализ результатов экспериментов показал, что основными факторами, влияю-

щими на возникновение механической суффозии, являются:

1. зерновой состав грунта, который должен иметь определенное число частиц в незащемленном (свободном) состоянии, для того, чтобы частицы могли выноситься фильтрационными силами;

2. соотношение между размерами мельчайших частиц и порами между крупными частицами должно быть таким, чтобы частицы могли свободно выноситься из скелета грунта;

3. фильтрационные силы, определяемые градиентами напора, должны быть значительными, способные отрывать и перемещать частицы;

4. неоднородность напряженного состояния в элементарном объеме грунта, которое также зависит от неоднородности зернового состава грунта и которое формируется под действием внешней нагрузки и фильтрационных сил.

Количественная оценка влияния перечисленных выше факторов на суффозию имеет важное теоретическое и практическое значение. Ниже рассматриваются вопросы по количественной оценки различных факторов на суффозионный процесс.

1. Влияние скорости движения воды в порах грунта.

Условие, необходимое для перемещения механических частиц между порами крупных частиц можно записать в виде:

где ^ - выталкивающая сила на частицу песка; ¥ - сила сопротивления частицы при движении ее со скоростью и.

Известно, что при движении частицы грунта в воде со скоростью и (см/с), возникает сила сопротивления Р(Н), которая определяется по формуле Стокса:

¥ — 3 пйфи

где d1 - диаметр частицы, р. -вязкость поровой воды, и -скорость движения частицы.

Известно также, что средняя скорость движения воды в порах грунта определяется по формуле Пуазейля:

_ РЛ22

и —-

32 р.1

где р=укк - давление в поровой воде, ук - удельный вес воды, к -напор воды (м), с12 и I - диаметр и длина рассматриваемого участка пор, соответственно.

Подставляя (3) в (2) получаем силу сопротивления мелкой частицы диаметром С при ее движении в порах диаметром С2> С1 со средней скоростью и (см/с), т.е. имеем:

3 п _

Учитывая размерность у№ [Н/см3], получаем силу сопротивления в Ньютонах (1Н=105 г-см/с2). Вертикальная сила, действующая на частицу во взвешенном состоя-

нии равна:

Рд =

Рассмотрим пример При С1=0,001см, С2=0,1см, у№=10"3Н/см3 получаем К; = 0,3  10"8Н = 0,3 • 10_6грамм • сила.

Вес частицы равен 2,6-(10"9/23)-3,14'413=1,36'10"9г<<Р8. Следовательно, выталкивающая сила Р8 больше чем масса частицы, т.е. удовлетворено необходимое условие Р8>Р для движения частицы в порах между крупными частицами грунта.

Вертикальная составляющая сопротивления по (4) зависит от направления движения потока, т.е.:

^ = Рзта "

где а - угол наклона потока к горизонту.

В случае а>0 выталкивающая вертикальная суммарная сила = + , а в случае а<0 суммарная сила £ Р — ^а ~ Рд.

2. Влияние зернового состава и соответствующей структуры грунта на суффозию

В работе [2] отмечается, что соотношение между размерами мельчайших и крупных частиц, а также пор между крупными частицами должны быть такими, чтобы мелкие частицы не могли выноситься из скелета образуемого крупными частицами.

Если крупные частицы образуют несущий скелет грунта, а мелкие находятся в порах в свободном состоянии, то они могут свободно выноситься из скелета при условии, что их размеры меньше размеров пор несущего скелета. Для качественной оценки этого тезиса нами было проанализировано НДС грунта различного зернового состава.

В зависимости от соотношения мелких и крупных фракций в песчаном грунте могут формироваться самые разные структуры (рис.1).

Рис.1. Расчётная конечно-элементная схема для определения НДС представительного объёма неоднородного грунта и структуры неоднородного зернового состава песчаного грунта в зависимости от количественного соотношения мелких и крупных фракций. а - крупные фракции «плавают» в общей массе мелких фракций; б - мелкие фракции заполняют поры между крупными фракциями, которые имеют контакт между собой и образуют скелет.

Очевидно, что в первом случае (а) несущим каркасом песчаного грунта является совокупность мелких фракций, а крупные фракции «плавающие» внутри него вызывают неоднородность напряженного состояния в рассматриваемом объеме грунта, т.е.

служат концентратами напряженного состояния. Во втором случае (б) несущим каркасом является совокупность крупных фракции, которые имеют контакт между собой. Мелкие фракции заполняют поры между крупными фракциями и их влияние на напряженное состояние в структуре крупных фракций незначительное, особенно если они в рыхлом состоянии.

Математическое моделирование напряженного состояния (НС) элементарного объема неоднородного песчаного грунта МКЭ, имеющего структуру типа (а) и (б) (рис.2) показало, что они существенно отличаются. Как в первом, так и во втором случаях НС существенно неоднородное, что не согласуется с общепринятой концепцией механики грунтов об однородном ПС в представительном элементарном объеме грунта [3].

VЧIГIЧ ü ЮГ З ЗЭШМТ 1411. I  . т ,, '.Ii;- Ш.

Рис. 2. Изополя тотальных напряжений СТ в неоднородном грунте в условиях компрессии в

УУ

структурах типа (а) и типа (б) при среднем давлении 250 кН/м2

Как и следовало ожидать, при прочих равных условиях (объемы и внешняя нагрузка равны) мелкие фракции в структуре типа (а) больше напряжены, чем в структуре типа (б). Следовательно, во втором случае частицы мелкой фракции более подвижны под действием фильтрационного потока и могут легко выноситься между порами крупных фракций.

Неоднородность структуры грунта влияет также на деформационные свойства при сдвиге (перекашивании), что может привести к развитию горизонтальных перемещений фильтрующих массивов грунта в процессе суффозии.

Математическое моделирование НДС неоднородного грунта в условиях сдвига (перекашивания) показало, что касательные напряжения в неоднородном грунте распределяются неравномерно, а в однородном - равномерно. Из графиков зависимости горизонтального перемещения верха образца от усилия (Т/Ттах, Ттах=4 кН) видно, что крупнозернистые включения армируют грунт и повышают модуль сдвига грунта (рис. 3) до трех раз при рассмотренном варианте.

х

х ^

II X

га £

х га

1,0000 0,8000 0,6000 0,4000 0,2000 0,0000 -0,2000

Однородный Неоднородный

100

200

300

Горизонтальные перемещения, м, х10":

0

Рис. 3. Графики зависимости горизонтальных перемещений (м) верх образца от горизонтального относительного усилия

3. Влияние фильтрационных сил на НДС фильтрующих массивов и на суффози-онно-неустойчивые грунты.

Напряженное состояние в неоднородном песчаном грунте формируется не только от внешней нагрузки и собственного веса, а также от действия фильтрационных объемных сил [2,8], которые пропорциональны гидравлическому градиенту:

Р/ = У™ • ¿

где 1(х,у^) - гидравлический градиент в фильтрующем массиве, который зависит от координат х,у и от времени I

Это явление наблюдается в фильтрующих откосах и склонах, в основании в бортах глубоких котлованов, в водоносных горизонтах, контактирующих с карстующими породами, при этом фильтрационные силы в этом случае имеют двойное воздействие. С одной стороны, они вызывают дополнительные напряжения в скелете грунта и, с другой, оказывают влияние на мельчайшие частицы, выталкивая их фильтрационном

потоком. При этом могут встречаться условия, когда мелкие фракции не только перемещаются и выносятся наружу, но также оседают в локальных зонах (карманах) фильтрующего массива, когда 1<1кр (внутренняя суффозия).

В качестве примера рассмотрим НДС суффозионно-неустойчивого массива водо-насыщенного грунта, подстилаемый карстующими породами (рис.4). Видно, что под действием фильтрационных сил и собственного веса грунта в массиве формируется сложный фильтрационный поток (рис.4), который после длительной суффозии приводит к формированию суффозионной просадки свободной поверхности грунта (рис. 5).

Рис. 4. Вектора направления фильтрации.

М

в Сг.ЯИ

Veitioal displacement (Ify) Extreme Uy -876.22" tO"3 m Рис. 5. Изополя суффозионной просадки свободной поверхности грунта

На основании описанных выше результатов исследований механической суффозии в неоднородных песчаных грунтах можно дать количественную оценку влияния различных факторов, в том числе неоднородности состава и НДС грунта на изменения физического состояния грунта (плотности, пористости) и на деформационные и прочностные свойства суффозионно-неустойчивых грунтов. Это необходимо для количест-

венной оценки НДС фильтрующих массивов грунтов, служащих основанием, средой или материалом самых различных сооружений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате лабораторных испытаний образцов песчаного грунта неоднородного состава было установлено, что имеет место вынос твердых частиц фильтрационным потоком, и вследствие этого, в грунте развиваются дополнительные осадки и деформации образцов, сопровождающиеся общей деформацией скелета грунта, а также уменьшением модуля его деформации.

2. Изменение физико-механических свойств грунтов вследствие суффозии приводят к изменениям НДС грунтовых массивов и в конечном итоге к дополнительным осадкам оснований сооружений.

3. В суффозионном отношении опасных массивах грунтов необходимо дать количественную оценку этой опасности, что возможно на основе лабораторных испытаний грунтов и математического моделирования НДС фильтрующих массивов грунтов.

4. Деформационные и прочностные свойства неоднородного песчаного грунта также существенно зависят от его зернового состава и структуры.

5. Одним из факторов, влияющих на механическую суффозию является неоднородность напряженного состояния в песчаном грунте неоднородного зернового состава.

Литература

1. Анисимов В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Влияние механической суффозии на дополнительные осадки оснований фундаментов. Ж. Основания, фундаменты и механика грунтов, 4/2009, сс. 4-8.

2. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин, М. изд. АСВ, 2001 г.,

374 с.

3. Жиленков В.Н. Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. Л., ВНИИГ им. Веденеева, 1991, 93 с.

4. Коллектив авторов под редакцией Трофимова В.Т., Грунтоведение. 6-ое издание, изд. МГУ, 2005г., 1024с.

5. Руководство по расчёту обратных фильтров плотин из грунтовых материалов. ВНИИ ВОДГЕО, М., 1982, 62 с.

6. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З. - НДС фильтрующих массивов грунта. Ж. Инженерная геология, 4/2008, М., сс. 41-47.

7. Тер-Мартиросян З.Г., Анисимов В.В., Тер-Мартиросян А.З. Механическая суффозия: Экспериметальные и теоретические основы. М., Инженерная геология № 4, 2009 г., с. 28-40.

8. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов, изд. АСВ, 2009 г., 538 с.

9. СНиП 2.02.01.83* - Основания зданий и сооружений, М., 1996 г., 49 с.

10. СНиП 2.02-85 Основания гидротехнических сооружений, М., 1988, 44 с.

Ключевые слова: механическая суффозия, напряженно-деформированное состояние, де-формативность грунтов.

Keywords: mechanical piping, stress-strain condition, deformability of soils.

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»