10-3. УПЛОТНЕНИЕ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ
Принципы уплотнения грунтов, изложенные в § 10-1, относятся к однородным связным грунтам или к грунтам с ограниченным количеством крупных фракций.
Крупнообломочные грунты состоят из скелета, представленного крупными фракциями, до 150—200 мм, и мелкозема, заполняющего поры. Содержание мелкозема, т. е. заполнителя в таком грунте, с размером фракций мельче 5,0 мм и особенно мельче 0,25 мм определяет влажность, структуру и водопроницаемость уплотненного грунта.
Структура уплотненного крупнообломочного грунта должна быть однородной и обеспечивать плотность всего фракционного состава грунта и особенно для его мельчайших фракций заполнителя — менее 0,05 мм.
Гранулометрический состав карьерного грунта в значительной мере влияет на физико-механические и фильтрационные свойства уплотняемого грунта. При правильно организованном процессе уплотнения и строгом выдерживании проектного состава грунта можно получить уплотненный грунт с малой деформативностью, большой трещиностойкостью, высокой сдвиговой и фильтрационной прочностью.
Для удовлетворения поставленных требований влажность заполнителя (фракции мельче 0,05 мм) не должна превышать 2—3% при коэффициенте водонасыщения не менее 0,80—0,85. Необходимые для такого состояния заполнителя влажность и плотность устанавливаются лабораторными исследованиями, определением оптимальной влажности мелкозема при стандартном его уплотнении. Допускаемая плотность мелкозема, а следовательно, и грунта отсыпки определяется на опытной насыпи с учетом коэффициента уплотнения. Так, для ядра Нурекской плотины коэффициент уплотнения был принят не менее 0,97—0,98, а лабораторными исследованиями при средней влажности 9,5% получена плотность мелкозема 2070—2180 кг/м3 в зависимости от содержания в нем фракции мельче 0,25 мм.
Крупнообломочные грунты в настоящее время широко используются в различных частях каменно-земляных плотин. Для противофильтрационных устройств применяются моренные и деллювиальные грунты (плотины Нурекская, Зейтеваре и Мессауре, а также Мон-Сени), для боковых призм — современный и древний аллювий, а также материалы осыпей (плотины Нурекская, Оровилл и Майка, а также Гешененальп и Ортотокойская). Этому способствовало развитие грунтоуплотняющих механизмов — пневмоколесных и виброкатков.
При уплотнении крупнообломочных грунтов в противофильтрационных устройствах: требуется соблюдение указанных выше принципов, а при уплотнении грунтов в боковых призмах — только получение отсыпки высокой сдвиговой прочности.
Стоимость уплотнения таких грунтов с учетом их подготовки для отсыпки в противофильтрационные устройства является достаточно высокой. Для ее снижения совершенствуются как грунтоуплотняющие механизмы, так и технология возведения. Выбор наиболее эффективной технологии и экономичного метода уплотнения грунта производится на опытной насыпи с использованием проектных или имеющихся катков, если они позволяют обеспечить проектные требования уплотнения в пределах сметной стоимости.
В соответствии с имеющимися грунтами и их назначением в профиле плотины определяется технология и методы уплотнения. Если однородные слабоводопроницаемые грунты легко уплотняются обычными методами, то уплотнение крупнообломочных грунтов в противофильтрационных устройствах представляет большие трудности и требует применения более тяжелых катков.
Моренные грунты содержат мелкозем, пылеватопесчаные фракции и гравий как заполнитель. Они характеризуются высокой плотностью, слабой сжимаемостью. низкой водопроницаемостью и высокой сдвиговой прочностью. Содержащиеся в моренных грунтах валуны в зависимости от назначения грунтов в профиле плотин и метода их уплотнения иногда удаляются как сверхмерные камни.
На рис. 10-3 приведены гранулометрические составы моренных грунтов, уложенных в ряде шведских плотин. Валунов крупнее 100 мм в них содержится от 10% (плотина Аджауре) до 36% (плотина Летси). Соотношение между крупностью валунов и гальки и их содержанием в тех же грунтах даны в виде кривых на рис. 10-4, откуда видно, что кривые практически параллельны; это означает, что морена, содержащая галечник, имеет также много валунов. Содержание крупных валунов (свыше 300—500 мм) резко уменьшается.
Рис. 10-3. Гранулометрические составы крупнозернистой морены, отсыпанной на ряде шведских плотин: 1 — Аджауре; 2 — Зейтеваре; 3 — Мессауре; 4 — Летси.
Рис. 10-4. Соотношение между максимальным размером гальки и валунов и их содержанием.
S — линия максимально опасной крупности камня, см; Т — оптимальная толщина слоя; 1—4 —гранулометрический состав по рис. 10-3.Наибольшая крупность валунов, допускаемая в противофильтрационные устройства плотины, зависит от толщины отсыпаемых слоев. При обычных методах возведения плотины крупность камня ограничивается до 0,50-0,65 толщины отсыпаемого слоя. При отсыпке грунта в воду, где допускается большая высота слоя, крупность валунов не ограничивается и они не удаля ются (Серебрянская плотина).
Удаление сверхмерного камня можно осуществить различными путями (см. § 8-7), что требует дополнительных затрат тем больших, чем больше неравномерность карьерного грунта и удаляемого камня. Если при обычной укладке допускаются валуны крупностью до 0,65 толщины отсыпаемого слоя, что соответствует линии S на рис. 10-4, то единичная стоимость уложенного грунта может быть снижена за счет увеличения толщины отсыпаемого слоя, но для этого требуются и более мощные грунтоуплотняющие механизмы. Из рис. 10-4 видно, что оптимальная толщина отсыпаемого слоя Т будет находиться в пределах 0,40—0,75 м. Если толщина отсыпаемого слоя превышает такой оптимум, то объем удаляемого камня будет небольшим, что мало повлияет на стоимость отсыпки.
Гранулометрический состав является основой для определения оптимальной толщины отсыпаемого слоя крупнообломочного грунта и стоимости удаления сверхмерного камня. Повышенная толщина отсыпаемого слоя позволяет уменьшить объем удаляемого камня и стоимость его удаления.
В построенных за последние годы в Швеции плотинах толщина отсыпаемого слоя моренного грунта возросла с 0,25 до 0,60 м благодаря использованию для уплотнения тяжелых катков. Применение тяжелых катков, а также развитие погрузочно-транспортных работ привело к повышению интенсивности возведения плотин из моренных грунтов.
При использовании в противофильтрационных устройствах плотин делювиальных грунтов (плотины Нурексrая и Мон-Сени) необходимо строго контролировать влажность таких грунтов при каждом измерении гранулометрического состава, так как влажность заполнителей оказывает решающее влияние на уплотнение.
Крупнообломочные грунты, особенно аллювиальные, нашли широкое применение при отсыпке боковых призм плотин. Нурекская плотина отсыпается слоями 0,8—1,0 м, после разравнивания грунт поливается из расчета 180 л/м3 и уплотняется до плотности 2200 кг/м3 катком Д-551 за 6—7 проходов. Из аллювиальных грунтов, в которых отсортированы валуны крупнее 380 мм, отсыпана плотина Оровилл, грунты укатаны до плотности 2200 кг/м3 5-тонными виброкатками.
Боковые призмы плотины Гешененальп отсыпаны из разнородных грунтов осыпей и делювиальных отложений с крупностью отдельных камней до 1,0 м. Грунт во избежание сегрегации смачивался в кузове автосамосвала, отсыпался пионерным способом слоями по 2,0 м и уплотнялся только за счет проходящих автосамосвалов. На плотине наблюдалась повышенная послестроительная осадка, которая достигла почти 1,5%.
