1-7. ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ И КАМНЯ ДЛЯ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
При проектировании высоких и особенно сверхвысоких плотин, в противофильтрационных устройствах которых используются разнородные грунты, а в боковых призмах различной по прочности и степени уплотнения камень, необходимо проводить всесторонние исследования для определения следующих показателей:
а) сжимаемости и сдвиговой прочности каменной наброски или отсыпки;
б) фильтрационной прочности грунтов ядра и переходных зон.
На основе этих исследований дается оценка:
а) напряженно-деформированного состояния плотины;
б) статической и фильтрационной устойчивости плотины с учетом сейсмических воздействий;
в) возможности нарушения противофильтрационных устройств (ядра или экрана) под влиянием деформаций плотины и сейсмических воздействий.
Сдвиговая прочность камня и грунта изучается на приборах трехосного сжатия диаметром в зависимости от. крупности состава исследуемых материалов и напряжений в плотине. В лабораторных условиях используют и односрезные приборы, допускающие их загрузку камнем диаметром до 200 мм при вертикальном давлении до 1 МПа*. На опытных насыпях сдвиговая прочность камня проверяется по результатам сдвига отдельных целиков, вырезанных в насыпях. Результаты исследований сдвиговой прочности, полученные в лабораторных условиях, по тем или иным причинам отличаются от результатов полевых опытов. Некоторые виды грунта и камня при их исследовании в полевых условиях показывают значительно меньшую или большую прочность, чем в лабораторных условиях, поэтому расчетные значения сдвиговой прочности принимаются по результатам полевых опытов или лабораторных, но с учетом соответствующих коэффициентов запаса.
Для изучения компрессионных свойств крупнообломочных грунтов и камня при больших нагрузках применяются приборы — одометры.
* Таблица соотношений между некоторыми единицами физических величин, подлежащими изъятию и допускаемыми к применению, приведена в приложении V в конце книги.
При составлении проекта Колымской плотины в ВОДГЕО были проведены следующие исследования:
сжимаемости каменной наброски (гранита), смоделированной в масштабе 1 : 25 в виде щебня крупностью до 40 мм, в одометре диаметром 207 мм и высотой 210 мм под давлением до 4 МПа;
сдвиговой прочности каменной наброски, смоделированной в масштабе 1 : 20, в виде щебня крупностью 5—50 мм в приборе трехосного сжатия диаметром 215 мм и высотой 430 мм. При радиальном давлении 20; 40; 80 кПа были получены значения угла внутреннего трения 49,3; 47,5; 45,5°.
В результате исследований было рекомендовано для каменной наброски принять угол внутреннего трения в зависимости от напряжений: от 46° при напряжении 20 кПа до 38° при напряжении 60 кПа.
Исследования показали достаточно сложное распределение напряжений в профиле плотины с наличием высоких концентраций их у подошвы переходных зон. С учетом срока возведения плотины горизонтальные смещения ядра оценены в 1,2 м, а продольные в сторону русла в соответствии с характером долины не ожидаются.
Грунт для отсыпки ядра с содержанием мелкозема фракции мельче 1,0 мм до 45% и k=1,2-10-6 см/с допускает градиент фильтрации, во много раз превышающий проектный. Даже с уменьшением содержания мелкозема до 38% грунт допускает принятый в проекте градиент с коэффициентом запаса 5.
Для исследования сжимаемости каменной наброски под нагрузкой во ВНИИГ применяются пресса-одометры диаметром 200, 470, 600 и 1320 мм под давлением до 5, 10, 14 МПа.
Компрессионные кривые, параметры упругопластичных деформаций и сдвиговая прочность каменной отсыпки позволяют дать прогноз осадок плотин и определить устойчивость ее откосов.
Исследования фильтрационной прочности глинистого грунта на контакте с крупнообломочным производятся на крупномасштабных установках. Такие установки позволяют проводить исследования естественных грунтов без моделирования их крупности на образцах, что приближает исследования к натурным условиям.
Устойчивость откосов боковых призм из крупнообломочных грунтов и камня проверяется экспериментально на виброплатформах. Платформы могут совершать свободные и вынужденно-затухающие колебания при динамических характеристиках, изменяющихся в пределах периодов от 0,2 до 2 с и амплитуд от 1 до 40 см, что отвечает ускорениям от 0,05 g до 1,60 g. Для этих же целей используется и центробежное моделирование [Л. 44].
Весь комплекс исследований для определения устойчивости откосов, осадок тела и основания плотины, порового давления, консолидации грунта в теле и основании плотины необходим для составления рационального проекта плотины и производства работ по ее строительству.
Как пример проведения исследований для определения компрессионных и сдвиговых характеристик ниже приводятся исследования, проведенные в лаборатории ENEL в Италии [Л. 94], двух видов камня: кварцито-слюдистого габбро с временным сопротивлением сжатию около 150 МПа и модулем деформации 50 000 МПа; слегка сланцевых змеевиков с временным сопротивлением сжатию по слоистости 100 МПа, а перпендикулярно ей 150 МПа и соответственно модулем деформации 85 000 и 80 000 МПа.
Поверхность разлома габбро неоднородная, а змеевиков — зубчатая и слоистая. Из такого камня в определенном масштабе был смоделирован гранулометрический состав щебня крупностью 10—50 мм, отвечающий проектному. Такая смесь была исследована в одометрах диаметром 100 и 500 мм и в приборе трехосного сжатия диаметром 350 мм.
Для одинаково уплотненного камня в начальной стадии испытаний пористость образца габбро составляла 36,0% и змеевиков — 39,5%.
Исследования деформативных свойств камня проводились на сухом, водонасыщенном и дренированном •образцах под давлением до 3,0—3,4 МПа для каждой ступени загружения. Результаты испытаний щебня змеевика, приведенные на рис. 1-13, показали следующее: умеренное влияние диаметра одометра на результаты испытаний; увеличение осадки при испытании водонасыщенных образцов 2 и 3 по сравнению с сухим 1; большую осадку змеевиков, чем габбро при одинаковой нагрузке, особенно в водонасыщенном состоянии.
Эти два вида камня были испытаны до разрушения образца под нагрузкой на приборах трехосного сжатия диаметром 350 мм и высотой 700 мм в сухом и водонасыщенном состоянии. Каждый цикл испытаний проводился при давлениях от 0,3 до 2,0 МПа. Вертикальное давление σ1 постепенно повышалось до разрушения образца с измерением осевых и радиальных деформаций.
Рис. 1-13. Компрессионные кривые щебня змеевиков крупностью 0,2—35 мм с начальной пористостью 39,5% по испытаниям в одометрах диаметром 100 (а) и 500 мм (б).
1 — сухой образец; 2 — водонасыщенный образец; 3 — дренированный образец.
Рис. 1-14. Компрессионные кривые щебня змеевиков крупностью 0,2—35 мм по испытаниям на приборе трехосного сжатия диаметром 350 мм и высотой 700 мм. Ступени загружения σ2 = σ3=0,3; 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 МПа.
а — сухой образец; б — водонасыщенный образец.
При исследовании сдвиговой прочности образец сначала подвергался горизонтальному обжатию отдельными ступенями, горизонтальное давление доводилось до σ3, а вертикальное до σι=σ3. При сохранении отношения σ!/σ3 неизменным ступенями наращивалось вертикальное давление σ1. Каждая ступень нагрузки выдерживалась обычно 5 мин, после чего фиксировались вертикальные и радиальные деформации.
Угол внутреннего трения φ определялся, исходя из теории прочности Мора
Такая методика проведения опытов позволяет определять не только угол внутреннего трения φ, но и коэффициент Пуассона μ, модуль упругости Е, соответствующие различным значениям σ3 и σ1/σ3, необходимые для расчета напряженно-деформированного состояния плотины.
Рис. 1-15. Результаты исследований щебня змеевиков (по рис. 1-13), представленные кругами Мора.
а — сухой образец; б — водонасыщенный образец.
На рис. 1-14 приведены результаты исследований относительной осадки образца в зависимости от вертикального давления σ1, а на рис. 1-15 — круги Мора, характеризующие напряженное состояние для каждой ступени загружения давлениями σ2=σ3, по которым определяются значения углов внутреннего трения. Эти значения уменьшаются с увеличением давления для сухих змеевиков с 48° до 42°30', для водонасыщенных змеевиков с 47° до 41, а для габбро соответственно с 45° до 40° и с 43,5° до 39°.
Результаты исследований показали, что оба вида камня имеют заметно большую осадку при обжатии в водонасыщенном состоянии, чем в сухом, а угол внутреннего трения сухого камня оказался ненамного большим водонасыщенного;
змеевики по сравнению с габбро характеризуются более высокой сдвиговой прочностью, которая сохраняется независимо от состояния исследуемых образцов.
По данным исследований [Л. 117] была установлена линейная зависимость между сдвиговой прочностью каменной отсыпки и давлением в теле плотины, которая представлена на рис. 1-16.
На сдвиговую прочность и сжимаемость насьгпи из различных видов каменных материалов большое влияние оказывают форма камня, его гранулометрический состав и состояние выветрелости породы, из которой он получен.
Рис. 1-16. Сдвиговая прочность каменной отсыпки и наброски [Л. 100].
1 — хорошо подобранный по составу прочный камень, уложенный с высокой плотностью; 2 — плохо подобранный по составу слабый камень, уложенный с низкой плотностью.
Сравнение результатов исследований различных видов каменных материалов подтверждает вывод Казагранде о том, что хороший по гранулометрическому составу аллювий лучше по своим механическим свойствам в теле плотины, чем однородный по составу рваный камень, и потому является более пригодным для высоких и сверхвысоких плотин.
