1-8. ПУТИ СНИЖЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ И КАМНЯ В ПЛОТИНЕ
Плотины из крупнообломочных грунтов характеризуются относительно высокими осадками, большая часть которых происходит во время строительства, а полная их стабилизация заканчивается во время эксплуатации. Эти осадки являются следствием сжимаемости тела плотины, которая зависит от многих факторов, о которых сказано выше.
С ростом плотины в нижних слоях ее увеличиваются напряжения, что приводит к количественным и качественным изменениям характера ее деформаций. В каменной наброске под влиянием, высоких напряжении возрастает дробление и разрушение контактов камней, в отсыпке крупнообломочного грунта происходит преимущественно переупаковка его скелета. Для плотины высотой 150 м напряжения в ее нижних слоях могут достигать 3,0 МПа и выше.
Сжимаемость каменной наброски зависит от гранулометрического состава и начальной пористости. Пористость наброски зависит от гранулометрического состава, формы камней и плотности, получаемой при отсыпке, и от уплотнения. Диапазон возможных значений пористости для различного состава камня весьма большой. Например, для каменной наброски, отсыпаемой пионерным способом — высокими ярусами с гидравлическим уплотнением, пористость находится в пределах от 35 до 50%, для каменной отсыпки, отсыпаемой тонкими слоями с уплотнением укаткой, пористость может составить от 20 до 30%.
Для крупнообломочных грунтов пористость изменяется также в значительных пределах и зависит от гранулометрического состава. Для однородного по составу грунта пористость может достигать 40—50%, а для разнородного она находится в пределах от 18 до 23%.
Часть наброски Высотной Асуанской плотины из сортированного камня, в котором были удалены фракции мельче 150 мм, замыта песком, т. е. искусственно был получен двухмодельный крупнообломочный грунт, состоящий из двух резко отличных по своим размерам фракций песка и камня.
Если принять пористость каменной наброски из такого камня 40% и намытого песка в ее порах тоже 40%, то общая пористость замытой песком каменной наброски составит 16%, что отвечает плотности скелета грунта 2250—2300 кг/м3.
Плотность скелета двухмодельного грунта рд зависит от плотности крупнозернистых фракций рк и процентного содержания в их порах мелкозема В. При одинаковой плотности минеральной части крупно- и мелкозернистых фракций
Плотность скелета мелкозернистых фракций рм в порах крупнообломочного грунта
определится:
где р — плотность минеральной части породы.
Эти формулы могут быть использованы для качественной оценки плотностей фракций, составляющих двухмодельный крупнообломочный грунт. Так, для песчано-гравелистого и галечно-валунного грунта Нурекской плотины при содержании в нём песка 17,6%, плотности скелета грунта 2270 кг/м3, плотности минеральной части породы 2700 кг/м3 получим:
Исследования сжимаемости двухмодельных пород в виде песчано-гравелистого грунта или щебня, смешанного с песком, а также однородного щебня из гранита и известняка, проведенные в НИС Гидропроекта [Л. 22] под давлением до 6 МПа, показали следующее относительное сжатие:
однородный песчаный грунт крупностью 0,5—1,0 мм, пористостью 51,8% — δ=24,4%;
однородный песчано-гравелистый грунт крупностью 2,5—5,0 мм, пористостью 49,4% — δ=19,7%;
однородный щебень из гранита крупностью 2,5—5,0 мм, пористостью 43,3% — δ=13,8%;
тоже смешанный с песком, пористостью 21,6% — δ= 3,3%.
Рис. 1-17. График сжимаемости щебня из гранита с различным содержанием мелкозема.
1 — крупность 5—10 мм, пористость 52,2%; 2 — крупность 10—25 мм, пористость 18,9%; 3 — крупность 25—50 мм, пористость 43,3%: 4 — то же с песком, пористость 22,3%.
Рис. 1-18. Осадка каменной наброски (а) и деформационные характеристики упрочненной наброски (б). 1 — осадка обычной наброски; 2 — то же упрочненной.
Рис. 1-19. Вид карты отсыпки плотины Гепач по мере уплотнения камня виброкатком.
а — после отсыпки: б — во время укатки; в — после укатки.
Из этих данных видно, что с уменьшением пористости образца уменьшается и его относительная сжимаемость. При заполнении пор в крупнообломочном грунте леском его пористость существенно снижается, резко сокращается и относительная сжимаемость такого грунта (рис. 1-17).
Из полученных результатов исследований можно сделать общий вывод: чтобы уменьшить осадку высоких и сверхвысоких плотин, следует применять двухмодельные составы, из которых наилучшими являются естественные песчано-гравелистые и галечно-валунные грунты, поры которых заполнены песком. Самые высокие плотины: Нурекская — 300,0 м, Майка — 243,8 м и Нью-Дон-Педро—187,0 м — выполнены из таких грунтов.
В больших масштабах исследования сжимаемости каменной наброски из различных пород без ее уплотнения, т. е. со свободными порами и порами, заполненными песком, проводились во ВНИИГ на крупных прессах и под большими давлениями [Л. 28].
При заполнении пор в наброске песком стремятся увеличить общее число и площадь связей (контактов), чтобы этим обеспечить возможность восприятия ими больших давлений без заметного разрушения отдельных камней. Такое заполнение пор в наброске песком, названное упрочнением, позволило, независимо от качества камня в наброске, в 5—6 раз уменьшить относительную ее сжимаемость (рис. 1-18).
Исследования упрочненной наброски показали существенное повышение ее водонепроницаемости и сдвиговой прочности на 4—5°. Упрочнение массива каменной наброски заключается в том, что без искусственного уплотнения в наиболее напряженных зонах плотины создаются во время строительства условия, препятствующие возникновению значительных осадок и горизонтальных смещений.
По технологии упрочнение как бы противоположно уплотнению. Если при уплотнении ставится задача уменьшения начальной пористости каменной отсыпки за счет наиболее плотного контактирования камней, что неизбежно связано с их частичным, а иногда и полным разрушением (рис. 1-19), то при упрочнении ставится другая задача. Она заключается в применении способов уменьшения начальной пористости в заранее выявленных перегруженных зонах тела плотины посредством преднамеренного использования грунтовых материалов, имеющих увеличенное число контактов и воспринимающих передаваемое на них давление без существенного разрушения зерен-заполнителей или камней.
