Оценка влияния фильтрационного выщелачивания на свойства засоленных грунтов основания земляного полотна

Размещено на http://www.allbest.ru/

13

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Худайкулов Р.М., канд. техн. наук, доцент,

Каюмов А.Д.

Ташкентский институт по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог

Зафаров О.З.

Джиззахский политехнический институт

Введение

Строительство автомобильных дорог в Узбекистане все чаще ведется в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе на территориях, сложенных засоленными грунтами. Опыт проектирования и строительства автомобильных дорог на таких условиях показывает, что при проектировании и строительстве в зонах распространения засоленных грунтов необходимо учитывать изменчивость вещественного состава, структуры и физико-механических cвойств грунтов в процессе водонасыщения и выщелачивания.

При эксплуататции автомобильных дорог на засоленных грунтах, под земляное полотно формируется техногенный горизонт подземных вод за счет естественных и искусственных факторов. Подъем уровня подземных вод и замачивание грунтов основания дорог вызывает неравномерные осадки, что приводят к неровности покрытия. Анализ деформационного состояния некоторых дорог расположенных на территориях, сложенных из засоленных грунтов Узбекистана показал, что при прогнозе изменения свойств грунтов основания дорог в недостаточной степени учитываются факторы, влияющие на физико-механические свойства, например, длительная фильтрация воды, солевой состав и др.

Постановка задачи

К настоящему времени выполнен значительный объем исследований деформационных и прочностных свойств грунтов, содержащих в основном легко- и среднерастворимые соли.

Однако во многих методических указаниях и нормативной литературе даны рекомендации по опраеделению механических свойств для грунтов, засоленных легко- и среднерастворимыми солями, вопросами оценки физико-механических свойств засоленных грунтов при длительном водонасыщении и выщелачивания, т.е. фильтрации воды недостаточно исследовано.

В результате длительного воздействия пресных вод на засоленный глинистый грунт происходит вынос не только сильно- и среднерастворимых солей (хлориды, сульфаты), но также и слаборастворимых содединений (карбонаты, кремнезем, окислы жлеза), которые являются естественными цементами грунтов, определяющим их прочностные и деформационные свойства. Поэтому удаление или ослабление этих естественных цементовизменяют состав и структуру грунтов и определяет изменение их свойств.

Необходимо отметит, что выяснить механизм деформирования глинистых грунтов при выщелачивании можно только учитывая особенности поведения каждого компонента грунта при его взаимодействии с водой и удалением его из структуры грунта при фильтрации воды ими растворов. Скорость выноса растворимых в воде и растворах компонент грунта определяется коэффициентом фильтрации и градиентом напора.

Основной особенностью засоленных грунтов является изменение механических свойств этих грунтов в процессе рассоления. Различают два основных вида процесса рассоления:

- фильтрационное, при которои выщелачивание осуществляется фильтрационным потоком жидкости под градиентом напора и имеет практическое значение для грунтов, обладающих значительной проницаемостью;

- диффузионное, при котором выщелачивание из грунта происходит в результате движения ионов за счет разности концентрации солей в растворителе и грунте и характерно для малопроницаемых глинистых грунтах.

Новизна

Разработана методика лабораторных исследований деформируемости и прочности засоленных грунтов и установлены закономерности изменения этих характеристик при замачивании и длительной фильтрации воды.

Методы исследования

Для оценки влияния процессов водонасыщения и выщелачивания на свойства засоленных грунтов были использованы образцы, отобранные из автомобильных дорог в характерных районах Бухарской области М-37 «Самарканд-Ашхабад-Туркменбаши, 321-331 км», Сырдарьинской области 4Р33 «Ульянова-Найман (Гулистон-Гагарин 20 км)» и Каракалпакской Республике 4Р161 «Ургенч-Чалиш-Беруний-Бустан, 20-22 км». Характеристика природных засоленных грунтов, определенных в лабораторных условиях приведены в таблице 1 и 2. Лабораторные испытания грунтов выполнялись по действующим стандартным методикам. По ним были проведены статические обработки.

Фильтрационные выщелачивания грунтов реализовывались в приборе Ф-1М по схеме восходящего потока. Предварительно опробованный по вышеописанной схеме образец естественного сложения помещался в прибор. Для ликвидации пристенной фильтрации боковые поверхности образца обрабатывались по методике, предложенной Петрухиным В.П. [1]. Образец вырезался меньшим относительно кольца прибора Ф-1М (S=50 см²) диаметром. На его боковые поверхности наносился тонкий слой пластичного клея, а зазор между кольцом и образцом заливался парафином. Такая обработка позволяет считать, что движение жидкости происходит исключительно через объем грунта.

Таблица 1 - Характерные свойства засоленных грунтов обследованных дорог

Фильтрация воды осуществлялась под действием высоких градиентов напора (до J=100), создаваемого столбом воды. При этом предельное его значение устанавливалось не единовременно, а постоянно, ступенями (J=10, 30, 60, 100). Для определения количества выщелоченных солей в течение опыта отбирался инфильтрат, фиксировался его объем и минерализация. По окончанию испытаний грунт опробовался по общей схеме.

Таблица 2 - Содержание солей в природных грунтах, %

Результатом проведения эксперимента по фильтрационному выщелачиванию грунта, явился анализ его влияния на изменения водно-физических и физическо-механических свойств исследуемых грунтов.

Для получения прочностных характеристик исследуемых грунтов были использованы одноплоскостные срезные приборы с фиксируемой плоскостью среза системы Гидропроекта. Для оценки влияния процесса выщелачивания на показатели прочности исследуемых грунтов методами консолидированного и быстрого среза были выполнены испытания предварительно выщелоченных образцов. При испытания грунтов срезались образцы, предварительно уплотненных одной и той же заданной нагрузкой (Р_у=0,0; 0,1,5; 0,2; 0,3 МПа) и выщелоченных в течение 1-1,5 мес.

В процессе подготовки одновременно с замером деформаций проводился замер солей, выносимых при фильтровании дистиллированной воды через образец. Для этого был использован солемер конструкции ПНИИИС.

Для получения сравнительной характеристики прочности грунтов был использован метод пенетрации лабораторным конусом с углом заострения конического индентора 30^о. Пенетрационные испытания проводились по схеме постепенного (ступенчатого) нагружения конуса возрастающими нагрузками с одновременной регистрацией глубины погружения (с точностью 0,1 мм).

Испытания образцов на ползучесть выполнялись в срезных приборах системы Гидропроекта по методике Н.Н. Маслова и З.М. Карауловой [2].

В лабораторных условиях модуль деформации определяли путем проведения компрессионных опытов [3, 4]. В связи с резким изменением модуля деформации грунтов при увлажнении, для получения полной характеристики деформируемости испытания проводили при двух значениях влажности: при естественной и после водонасыщении без возможности набухания.

Компрессионные испытания были выполнены по методу 2-х кривых. По одной ветви - на естественно-влажных грунтах при Р=0,0; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 и 0,3МПа, с насыщением при Р=0,3 и 0,5МПа.

По второй ветви - с насыщением при Р_быт с последующим доведением нагрузок до 0,3МПа.

Результаты исследования

С целью оценки и прогноза модуля деформации водонасыщенных супесчаных и суглинистых грунтов был выполнен анализ результатов компрессионных исследований. Результаты корреляционно-регрессионного анализа приведены в табл. 3.

Из приведенных данных видно, что модуль деформации водонасышенных суглинков удовлетворительно коррелирует с величиной начального коэффициента пористости. Тогда как для суглинка естественной влажности не прослеживается зависимости модуля деформации от коэффициента пористости (для диапазона давления 0-0,3 МПа), наблюдается значительный разброс данных. Подобное обстоятельство можно объяснит тем, что водонасыщение грунта в значительной степени нивелирует особенности структуры, ослабляя структурные связи [5-7].

Таблица 3 - Зависимость модуля деформации суглинков от начального коэффициента пористости

Для характеристики изменения модуля деформации при его водонасыщении грунта рекомендуется [8] пользоваться коэффициентом ослабления структуры, т.е. отношением модуля деформации при природной влажности и после водонасыщения:

где Е^е и Е^з - значения модулей деформации при естественной влажности и после замачивания соответственно;

К_о.с. - коэффициент ослабления структуры.

Коэффициент ослабления структуры грунта при водонасыщении удовлетворительно коррелирует со степенью водонасыщения (см. табл. 4).

Из табл. 4 отчетливо видно, что дополнительное водонасыщение лессового суглинка имеющего степень водонасыщения S_r=0,6-0,7 не приводит к дальнейшему ослаблению структуры. Дальнейшее ослабление структуры водонасыщенных грунтов может быть обусловлено только растворением и выносом твердых элементов структуры. Таким образом, в грунтах, имеющих степень водонасыщения S_r?0,7 замачивание практически не изменяет величину модуля деформации.

Таблица 4 - Зависимость коэффициента ослабления структуры суглинка от степени водонасыщения

По данным компрессионных испытаний просадочных грунтов при естественной влажности и после водонасыщения при нулевом давлении величина коэффициента ослабления структуры показывает значительно большой разброс значений от 1 до 13-15, но если откинуть явные «отскоки», характерные для образцов некачественных, то диапазон изменения величины К_о.с. снижается до 1-5.

Величина коэффициента ослабления структуры грунта зависит от действующего среднего давления: при давлениях Р<Р_стр. величина К_о.с. изменяется для грунтов в достаточном широком диапазоне. Но после слома природных структурных связей и формирования новых структурных связей упрочнения при Р>Р_ф.стр величина К_о.с. снижается и приближается к единице. Величина К_о.с. близка единице и для полностью водонасыщенных глинистых грунтов, если только при этом не происходит выщелачивания структурных элементов представленных растворимыми минералами. На табл. 5 приведены изменение модуля деформации глинистых грунтов в результате водонасыщения.

Из приведенных данных табл. 5 следует, что модуль деформации глинистых грунтов в результате водонасыщения уменьшается приблизительно 2 раза. Степень уменьшения зависит от величины начального модуля деформации: чем он выше, тем значительнее его изменение.

Таблица 5 - Изменение модуля деформации грунтов в результате водонасыщения

Результаты компрессионных исследований методом “трех кривых” суглинистых и супесчаных засоленных грунтов приведены на табл. 6. Выщелачивание производилось путем промывания дистиллерованной водой в течение 25-60 суток до установления постоянного количества выносимых солей в последовательно отбираемых пробах фильтрата.

Из приведенных данных следует, что модуль деформации в результате водонасыщения и выщелачивания уменьшается от 1,46 до 6,0 раза. Степень уменшения зависит от величины начального модуля деформации: чем он выше, тем значительнее его изменение.

Необходимо отметить, что условия подготовки проведения сдвиговых испытаний позволяет в максимальной степени учесть особенности грунтов в условиях их работы в массиве. В связи с этим сдвиговые испытания грунтов выполнены по методике Н.Н.Маслова, позволяющая определить параметры прочности и ползучести грунтов и их изменений под влиянием процессов водонасыщения и выщелачивания. Результаты выполненных исследований приведены в табл. 7.

Таблица 6 - Изменение модуля деформации засоленных грунтов в результате водонасыщения и выщелачивания

Исследование сдвиговой ползучести водонасыщенных и выщелоченных образцов свидетельствует о значительном влиянии процессов водонасыщения и выщелачивания на параметры длительной прочности и ползучести грунтов. Так, предельная прочность суглинков снижалась до 56-66%. Наблюдается снижение коэффициента вязкости и продолжительности стадии установившейся ползучести.

Необходимо отметить, что изменение свойства грунтов в процессе их выщелачивания связаны с изменением их солевого комплекса, прежде всего, с изменением количество легко- и среднерастворимых солей.

Таблица 7 - Изменение физико-механические свойства засоленных грунтов в результате выщелачивания

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать седующее:

критерием допустимого содержания солей в основании следует принимать не только величину степени засоления, но и изменение показателей водно-химических и физико-механических свойств грунтов при замачивании и выщелачивании;

- процессы водонасыщения и выщелачивания оказывают значительное влияние на модуль деформации, сцепление, угол внутреннего трения, предельную прочность, порог ползучести и коэффициент вязкости исследуемых грунтов;

- степень изменения параметров деформации и прочности определяется, в первую очередь влажностью, плотностью и нарушенностью структурных связей в ходе выщелачивания исследуемых засоленных грунтов;

- проектирование автомобильных дорог на засоленных грунтах должно включать два основных этапа: определение величин и характер снижения прочностных и деформационных свойств при водонасыщении в результате замачивания и при выщелачивании в результате длительной фильтрации воды; назначении комплекса мероприятий, направленных на обеспечение надежности работы земляного полотна при выщелачивании.

соль грунт деформация суглинок дорога

Список литературы

1. Петрухин В.П. Строительство сооружений на засоленных грунтах. - М.: Стройиздат, 1989. - 264 с.

2. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 511 с.

3. Дмитриев В.В., Ярг Л.А. Методы и качество лабораторного изучения грунтов: учебное пособие / В.В. Дмитриев, Л.А. Ярг. - М.: КДУ, 2008. - 502 с.

4. Трофимов В.Т., Королева В.А. Лабораторные работы по грунтоведению. - М.: КДУ, Университетская книга, 2017. - 654 с.

5. Трофимов В.Т. и др. Грунтоведение. - М., Изд-во МГУ, 2005. - 1024 с.

6. Казарновский В.Д. Основы инженерной геологии, дорожного грунтоведения и механики грунтов (Краткий курс). - М.: 2007. - 284 с.

7. Далматов Б.И. Механика грунтов, основание фундаментов. Изд-во «Лань». 2017. - 416 с.

8. Крутов В.И., Кавалев А.С., Кавалев В.А. Проектирование и устройство оснований и фундаментов на просадочных грунтах. - М.: Издательство АСВ. 2016. - 544 с.

Размещено на Allbest.ru