Особенности взаимодействия гидротехнических сооружений с лессовым основанием

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С ЛЕССОВЫМ ОСНОВАНИЕМ Будикова А.М.1, Бостандыков Б.Х.2

1Будикова Айгуль Молдашевна - старший преподаватель, кандидат технических наук;

2Бостандыков Бексултан Хасенович - магистрант, кафедра архитектуры и строительного производства, инженерно-технологический факультет, Кызылординский государственный университет им. Коркыт Ата, г. Кызылорда, Республика Казахстан

Аннотация: несмотря на многочисленные и обширные изучения, многие вопросы работы гидротехнических сооружений оросительных систем на просадочных грунтах, методы их проектирования и строительства остаются еще нерешенными. Свидетельством этого являются значительные трудности, с которыми приходится сталкиваться при эксплуатации оросительных систем в этих условиях. Ключевые слова: основание, фундамент, просадочные грунты, лессовые породы, гидротехническое строительство.

УДК 626/627:631.6

Основной особенностью лёссовых грунтов является способность при замачивании под нагрузкой от гидросооружения или от собственного веса давать значительные по величине провальные перемещения - просадки, наиболее опасные для сооружений из-за быстрого и неравномерного их протекания. Помимо просадки, в зависимости от действующих факторов (увлажнения и нагружения) в массиве лёссового грунта происходят и другие деформации, такие как осадка и послепросадочные деформации.

Сущность процесса просадочных деформаций лёссовых грунтов, состав и свойство последних, а также методы строительства на просадочных грунтах изучались многими исследователями, среди которых необходимо выделить работы Т.М. Байтасова, Е.Е. Оразалина, А.С. Жакулина, М.Ю. Абелева [1], Г.Н. Виноградовой [2], А.А. Григорян [3], В.И. Крутова [3], Н.Н. Фролова [2] и многих других зарубежных ученых.

Несмотря на столь многочисленные и обширные изучения, многие вопросы работы гидротехнических сооружений оросительных систем на просадочных грунтах, методы их проектирования и строительства остаются еще нерешенными. Свидетельством этого являются значительные трудности, с которыми приходится сталкиваться при эксплуатации оросительных систем в этих условиях.

Оросительная сеть представляет собой иерархическую техническую систему последовательно соединенных гидротехнических элементов (водозабор - орошаемое поле), а потому конечная эксплуатационная надежность системы складывается из надежной работы каждого из элементов. Наиболее важным и ответственным элементом является гидросооружение на каналах, которое обеспечивает плановую подачу воды из водоисточника на орошаемые поля.

Большая часть оросительной сети на территориях, сложенных лёссовыми просадочными грунтами, представлена каналами в земляном русле. В последние годы широко используются различного рода антифильтрационные покрытия, а внутрихозяйственную сеть выполняют в виде железобетонных лотков или трубопроводов [4]. Каждая тысяча гектаров орошаемой площади получает воду из этих каналов с помощью 140-220 гидротехнических сооружений. Отличительными особенностями этих типовых сетевых гидротехнических сооружений является разбросанность их по огромной территории и обязательное увлажнение лёссовой толщи под ними в процессе эксплуатации. По данным Н.Н. Фролова [1] до последнего

времени более трети из них, построенных на просадочных грунтах, разрушались или требовали капитального ремонта в течение 3-5 лет после ввода в действие.

Как известно, все сетевые мелиоративные сооружения разделяются на регулирующие (водовыпуски, перегораживающие и сбросные вододелители), сопрягающие (перепады, быстротоки) и водопроводящие (дюкеры, трубы, акведуки, ливнепроводы и т.д.) [2, 5]. Особенностью гидротехнических сооружений на лёссовых грунтах, по сравнению с гражданскими и промышленными, является то, что грунты в их основаниях практически все время находятся в увлажненном состоянии, что способствует проявлению просадочных и послепросадочных деформаций, наблюдающихся в толще лёссовых грунтов при длительном и интенсивном увлажнении. Указанное выше положение потребовало разработки усовершенствованных методов расчета, учитывающего специфику просадочных грунтов и особенности совместной работы гидросооружения и сильно деформирующегося основания.

Как показывают исследования А.А. Кириллова и других авторов [2, 5], напряженно-деформированное состояние под различными по весу и распластанности гидротехническими сооружениями значительно различается. Для легких распластанных гидротехнических сооружений деформации проявляются, главным образом, под влиянием природного давления, и условия уплотнения здесь чаще всего соответствуют компрессионному сжатию, то есть ширина деформированного грунта под сооружением равна ширине его подошвы. Для тяжелых распластанных сооружений, дополнительные давления которых будут значительно превышать природные напряжения до определенной глубины, условия уплотнения грунта за счет значительной ширины сооружения будут, по-прежнему близки к компрессионному сжатию. Для тяжелых сооружений (р>0,15МПа) с небольшой шириной подошвы фундамента (b/d<2), например опоры лотков, в верхнем слое грунта под подошвой фундамента решающее значение будет иметь дополнительное давление от сооружения, а в нижерасположенных слоях преобладающими будут природные напряжения. В этом случае условия сжатия грунта в верхней и нижней частях толщи различные: в нижней части массива они по-прежнему соответствуют компрессионному сжатию, а в верхней, наиболее нагруженной, грунт деформируется не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлениях [4].

Необходимо отметить, что большую роль играет мощность просадочной толщи h^ и область замачивания под гидросооружением. Если мощность лёссового грунта под сооружением относительно небольшая (^/Ь<2), а контур замачивания не выходит за пределы подошвы фундамента, деформационные характеристики лёссов можно определять при компрессионных испытаниях. При расчете величины перемещения верхней части лёссового массива под узкими сооружениями деформационные характеристики лёссового грунта необходимо определять способами, позволяющими учитывать способность лёссового грунта к деформациям в вертикальном и горизонтальном направлениях, например, при помощи штамповых испытаний образцов лёссового грунта ненарушенной структуры в лотке или в стабилометрах.

Под различными объектами на оросительных системах возможно замачивание лёссовой толщи сверху при фильтрации воды из каналов сооружений на них или лотковой сети и снизу - при подъеме уровня грунтовых вод. Как показали исследования А.А. Кириллова, при компрессионных испытаниях грунта каких-либо явных различий в величинах уплотнения при замачивании снизу и сверху не выявляется, что может быть объяснено небольшими размерами образцов в одометре. В натурных условиях, когда увлажняется достаточно мощная толща лёссовых грунтов, наблюдается различие в величинах деформаций при изменении условий замачивания. При замачивании грунтов, например, под каналами, когда происходит подъем уровня грунтовых вод, просадка, по данным А.А. Кириллова [2], проявляется в меньших размерах и более равномерно, чем при замачивании лёссов сверху,

41

вследствие медленного повышения влажности и постепенного снижения прочности грунта в течение более длительного времени.

Процесс фильтрационного увлажнения грунтов, в том числе просадочных, изучался многими российскими и зарубежными авторами [1, 2, 3 и др.]. Отмечено, что этот процесс в лёссах идет в непрерывно уплотняющейся среде, причем закономерности изменения пористости зависят от большого количества факторов, таких как характеристики состава и свойства грунта, увеличение нагрузки, влажности, контура увлажнения и др., что для источников увлажнения любой формы в плане, имеющих примерно равную глубину наполнения, скорость промачивания грунта пропорциональна их поперечным размерам. Приводятся методики по определению зон увлажнения от различных водоисточников, например, методика определения зон увлажнения при неполном насыщении грунта основания в лёссовых просадочных грунтах. Одним из достоинств этой методики является применение элементов графического моделирования, что значительно упрощает практическое использование данного метода расчета. Однако указанные методы моделирования процесса перемещения влаги в лёссовых грунтах также нельзя считать универсальными, так как не учитывают в полном объеме особенности и разнообразие свойств просадочных грунтов (пористость, просадочность, природная влажность и т.д.).

Конфигурация увлажненного контура от гидросооружения и степень насыщения его водой определяются, в основном, геометрическими размерами сооружения, его формой (круглая, квадратная, протяженная), глубиной воды в нем, геологическими и гидрогеологическими условиями, в которых будет работать сооружение. Под небольшими гидротехническими сооружениями с маленькой шириной зеркала большая часть фильтрующей воды перемещается не только вниз, но и в стороны. На увеличение контура увлажнения идет расход воды, составляющий 3-5% от первоначальных, максимальных потерь на фильтрацию. Зона напорного увлажнения может быть различной по величине, постепенно достигая полного водонасыщения. Большое влияние на влагоперенос под сооружением оказывает и его форма. Под протяженными гидросооружениями растекание воды в стороны осуществляется в основном перпендикулярно их продольной оси, а под круглыми и квадратными - во все стороны. Уплотняемость лёссов при неполном водонасыщении под небольшими источниками увлажнения в несколько раз меньше, чем при максимальной влажности, поэтому просадка и послепросадочная деформация под ними соответственно уменьшаются. Уплотнение лёсса проявляется полностью лишь в зоне максимального водонасыщения. При этом под сооружением формируется двухслойная среда, у которой водопроницаемость верхнего слоя значительно ниже, чем в остальной части толщи. Мощность зоны максимального возможного водонасыщения зависит от ширины зеркала воды. Так, например, под квадратными сооружениями это соотношение равно приблизительно двум.

Помимо просадочных и других свойств самих грунтов лёссовых оснований большое значение имеют инженерно-геологические условия строительной площадки. А.А. Кириллов [2] рассматривает три возможных схемы инженерно-геологических и гидрогеологических условий, которые влияют на условия замачивания грунтов под гидросооружениями, а, следовательно, и на величину просадки.

Первая схема - мощность лёссовых просадочных грунтов невелика (10 - 12м) и подстилаются водоупором.

Вторая схема - мощность лёссовых грунтов значительна (25-30м и более), подстилаются водопроницаемыми отложениями (песками, галечниками).

Третья схема - мощность лёссовых грунтов значительная, подстилаются они водопроницаемыми отложениями, в которых на значительной глубине располагаются грунтовые воды.

Схематизация инженерно-геологических и гидрогеологических условий позволяет прогнозировать характер увлажнения просадочной толщи под гидросооружениями и,

42

следовательно, процесс просадочных деформаций. Общий характер просадочных деформаций под различными гидросооружениями изучался многими исследователями [1, 3, 5]. Наблюдения, проводившиеся в процессе предварительного замачивания просадочных грунтов под различными гидросооружениями [3, 4], позволили установить основные закономерности развития просадок от действия собственного веса грунта и влияния на этот процесс размеров и формы источников увлажнения.

Подводя итог обзора взаимодействия различных гидротехнических сооружений с лёссовыми основаниями, можно сделать вывод, что при определении прогнозируемого совместного перемещения гидросооружения и его лёссового основания необходимо учитывать размер, форму, контур увлажнения от гидросооружения, степень водонасыщенности, а также передаваемую нагрузку от него.

Список литературы

1. Доброе Э.М. Механика грунтов, Учебник для студентов учебных заведений. Москва, Издательский центр «Академия», 2008. 272 с. 60х90.

2. Далматов Б.И., Бронин В.Н., Карлов В.Д. и др. Основания и фундаменты. Ч. 2. Основы геотехники. М.: АСВ, 2002. 392 с.

3. Будикоеа А.М., Отепберген Н.О. Инженерно-геологические исследования лессовых просадочных грунтов. Научный журнал РФ. Проблемы науки. № 04 (28), 2018.

4. Боданов Ю.Ф. Фундаменты от А до Я. Строительство и ремонт фундаментов. Планировка. Технология. Материалы. Москва. Лада, 2006. 224 с.