Глава десятая
ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПО ОТСЫПКЕ И НАБРОСКЕ ПЛОТИН
10-1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
Влажность грунта оказывает существенное влияние на его плотность при уплотнении. Уплотнение грунта пониженной влажности может привести к твердой насыпи, практически не обладающей пластичностью. Уплотнение того же грунта тем же способом, но с несколько большей его влажностью позволяет получить насыпь большей плотности, пластичности и меньшей пористости. Изменяя влажность грунта, можно выявить оптимальное содержание влаги и грунте, при котором для данного способа уплотнения будет получена наибольшая плотность и наименьшая пористость насыпи с минимальной затратой работы данного уплотняющего механизма. Дальнейшее уменьшение объема пор при таком уплотнении станет невозможным без вытеснения содержащихся в грунте воды и воздуха. Это произойдет только в результате уплотнения более тяжелыми грунтоуплотняющими механизмами.
При повышенной влажности грунта он будет уплотнен с большим объемом пустот, меньшей плотностью и повышенной пластичностью. Избыточная влажность в грунте приводит к слишком пластичной насыпи, затрудняет работу транспортных и уплотняющих машин. Таким образом, влажность грунта при его уплотнении контролирует плотность, а следовательно, и пористость насыпи. Уплотненная насыпь, имеющая минимальную пористость, для полного насыщения требует минимального количества воды, а потому она будет более пластичной и устойчивой.
Устойчивая и водонепроницаемая насыпь при определенном методе уплотнения будет получена при оптимальной влажности грунта, которой соответствует минимальный объем пустот. Оптимальная влажность грунта W0 может быть больше или меньше его влажности в карьере Wк. При W0>Wк грунт должен быть доувлажнен, а при W0<Wк к подсушен.
На рис. 10-1,а изображены графики зависимости плотности грунта от влажности р=f(W), плотности скелета грунта от влажности pск=f(W) и пористости от влажности п=f(W). Из графиков видно, что максимальная плотность скелета уплотненного грунта и минимальная его пористость для принятого способа уплотнения соответствуют оптимальной влажности 12%. Кривая pск=f(W) обычно используется для характеристики степени уплотнения грунта, а также для контроля влажности и плотности при возведении плотины.
Из рис. 10-1,а видно, что грунт, уплотненный при влажности 6,0 и 20%, имеет почти одинаковые плотность скелета и пористость. Однако пластичность такой насыпи будет весьма различной: насыпь из грунта с карьерной влажностью 6,0% будет очень жесткой, а насыпь из грунта с карьерной влажностью 20%—очень пластичной. В первом случае к игле плотномера с площадью 0,6 см2 требуется приложить усилие 4550 Н, а во втором — только 4 Н. Таким образом, одинаковые плотность скелета грунта и пористость могут быть получены при различной влажности, а потому грунты могут абсорбировать неодинаковое количество воды. Этим объясняется чрезмерное размягчение уплотненных грунтов, что иногда наблюдается при их водонасыщении, а именно грунт, уплотненный с карьерной влажностью 6,0%, при его водонасыщении сохранит свою устойчивость, а грунт, уплотненный с карьерной влажностью 20%, теряет ее.
Если грунт уплотнен одним и тем же способом, но различными уплотняющими машинами, то на графике (рис. 10-1,б) получается семейство кривых уплотнения. Чем больше уплотняющее усилие, тем выше плотность и ниже оптимальная влажность.
Рис. 10-1. Графики плотности грунта.
а — зависимости плотности (1 и 2) и пористости (3) от влажности; б — зависимость плотности от влажности при различных грунтоуплотняющих механизмах; 1, 2, 3, 4 — графики плотности скелета грунта при различных грунтоуплотняющих механизмах; 6, 7 — графики водонасыщения; 8 — линия максимальной плотности.
Линия, соединяющая геометрические места точек максимальной плотности отдельных кривых, представляет собой почти прямую, которая проходит приблизительно параллельно кривой с водонасыщением 80%. Основным фактором, определяющим деформации плотины, является начальная плотность ее насыпи, поэтому уплотнение грунта в насыпи — это увеличение плотности с помощью машин. При определенной интенсивности такого уплотнения максимальную плотность данного грунта можно получить только при оптимальной его влажности, а последняя зависит от характера грунта и изменяется от 4% в несвязных грунтах до 28% в глинах.
Общепринятым является установление оптимальной влажности и отвечающей ей плотности грунта в насыпи на основе лабораторных исследований. В Советском Союзе они проводятся в соответствии с требованием СНиП П-Б.3-62, а за рубежом — по усовершенствованной методике Проктора. В отношении уплотнения однородных связных грунтов в насыпи при оптимальной влажности существуют два мнения:
чтобы устранить опасность повышения порового давления, уплотнение производят при влажности, меньшей оптимальной;
чтобы уменьшить водопроницаемость насыпи и устранить опасность образования в ней трещин, уплотнение производят при влажности, большей оптимальной.
Противофильтрационные устройства каменно-земляных плотин (экраны и ядра) характеризуются относительно небольшими габаритами, а примыкающие к ним переходные зоны и боковые призмы оказывают дренирующее влияние на отток излишней влаги из насыпи. В этих условиях, как показали наблюдения за поведением плотин, поровое давление в грунтах ядра, даже отсыпанных в воду, рассеивается во время строительства. Поэтому в таких насыпях рекомендуется уплотнять однородные связные грунты при оптимальной влажности, а в приконтактных зонах с влажностью, большей оптимальной на 1,0—1,5%.
При использовании для отсыпки ядра грунтов с относительно высокой водопроницаемостью
|, обеспечивающей при заданных его размерах активное рассеивание порового давления во время строительства плотины, при назначении проектных значений влажности, водонасыщения и плотности грунта следует считаться лишь с влиянием этих параметров на его сдвиговую прочность и водопроницаемость. В этих условиях проектная влажность грунта по условиям порового давления может приниматься и выше оптимальной, но такой, чтобы она не нарушала работу механизмов при отсыпке грунтов. При этом следует учитывать, что водопроницаемость некоторых грунтов существенно изменяется в зависимости от влажности (плотина Мад-Маунтин), поэтому и изменяя влажность, можно изменить водопроницаемость насыпи.
Если рассеивание порового давления во время возведения плотины практически невозможно, как, например, в водоупорной призме из маловодопроницаемых грунтов с kф=
см/с, то при установлении расчетных показателей укладываемого грунта (влажность, водонасыщение, плотность) основное внимание должно уделяться поровому давлению, которое в данных условиях является решающим.
Следует отметить, что для уплотнения грунта главное значение имеет водонасыщение, а не влажность. Можно уменьшить влажность и одновременно увеличить плотность, что потребует дополнительной работы уплотняющих машин и ухудшит условия работы ядра, поскольку водонасыщение может остаться без изменений или даже уменьшиться.
Для уплотнения грунта существенное значение имеет форма компрессионной кривой ε=f (р). Пологий характер начального участка кривой (до 230 кПа), т. е. при наличии в порах грунта защемленного воздуха, может сказаться положительно на поровом давлении. При значительной плотности и низком водонасыщении грунта (80—85%) большая часть осадки ядра будет происходит в строительный период, что очень важно для высоких плотин и приобретает особое значение в местах сопряжения ядра с крутыми береговыми склонами.
Для плотин высотой до 50 м и поровым давлением около 1000 кПа можно меньше уделять внимание проектной плотности укладываемого грунта и характеру компрессионной кривой. Например, для плотины высотой 60 м из лессовидного суглинка установлено, что коэффициент порового давления в зависимости от формы компрессионной кривой будет находиться в пределах 0,061—0,308. Для плотины высотой 300 м в тех же условиях он возрастает до 0,217—0,815. Таким образом, для высоких и сверхвысоких плотин расчетным показателям грунтов должно уделяться особое внимание и они должны устанавливаться на основе соответствующих исследований.
При развитии деформаций и появления в ядре зон предельного состояния возможно возникновение трещин, способствующих повышению водопроницаемости ядра. Необходимо подбором гранулометрического состава грунта и уплотнением грунта свести к минимуму последующие деформации плотин, особенно высоких и сверхвысоких. С этой целью необходимо получить возможно больший эффект от уплотнения грунта, минимальные деформации и наиболее активное рассеивание порового давления в строительный период. Это особенно важно для нижней зоны ядра, испытывающей большие напряжения в высоких плотинах. В верхней зоне ядра целесообразно обеспечить пластичное состояние грунта для повышения его сопротивляемости трещинообразованию.
