автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Особенности проектирования гидросооружений оросительных систем на засоленных просадочных грунтах

/

Министерство сельского хозяйства и продовольствия российской федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

Аль-Шалаби Бассам

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ЗАСОЛЕННЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ.

Специальность 05.23.07 - гидротехническое и мелиоративное

строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научных руководитель -доктор технических наук, профессор Фролов Н.Н.

Москва, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

2 ОЧЕРК РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

И СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОСООРУЖЕНИЙ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТАХ...........................................................Ю

2.1. Особенности совместной работы сооружений и оснований,

сложенных засоленными грунтами................................................................Ю

2.1.1. Засоленные грунты как основания,

среда и материал для гидросооружений...................................................10

2.1.2. Виды деформаций и отказов гидросооружений

при фильтрационном увлажнении засоленных оснований.....................25

2.2. Методы расчетного прогноза совместных вертикальных

перемещений ГТС и оснований, сложенных засоленными грунтами..........47

2.2.1. Используемые в практике проектирования методы расчета гидросооружений на засоленных основаниях по предельным состояниям (по предельным деформациям).............................................................................47

2.3. Дальнейшее совершенствование приемов проектирования гидросооружений оросительных систем на засоленных грунтах.

Цели и задачи исследования...........................................................................58

3. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ РАСЧЕТОВ СОВМЕСТНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ И ОСНОВАНИЙ, СЛОЖЕННЫХ ЗАСОЛЕННЫМИ ПРОСАДОЧНЫМИ ГРУНТАМИ.................................61

3.1. Совершенствование методики определения размеров вертикальных перемещений гидросооружений на основаниях, сложенных засоленными грунтами, при суффозионной осадке .............61

3.1.1. Ускоренное определение относительной суффозионной сжимаемости засоленных грунтов 8е/

в основаниях гидросооружений................................................................70

3.2. Установление расчетных параметров определения совместных вертикальных перемещений гидросооружений

и засоленных просадочных оснований...........................................................85

3.3. Определение величины просадки ГТС с использованием положений расчетной модели грунтового основания,

как среды теории предельного равновесия...................................................106

3,4. Расчетные схемы по определению вертикальных перемещений гидросооружений по времени при фильтрационном увлажнении

оснований, сложенных засоленными просадочными фунтами...................120

4. принципы и инженерные приемы обеспечения надежности гидросооружений на оросительных

каналах, пюходящихв засоленных

ПРОСАДОЧНЫХ грунтах............................................................129

4.1. Применяемые в современном гидромелиоративном строительстве инженерные мероприятия по обеспечению эксплуатационной надежности системы

"гидросооружение- засоленное основание"..................................................129

4.2. Практическая реализация рекомендаций и конструктивных приемов по повышению уровня надежности сетевых

гидросооружений на засоленных просадочных грунтах..............................151

5. выводы..............................................................................................................159

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................161

1. ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. Проблема совершенствования методов проектирования к возведения объектов гражданского, промышленного, сельскохозяйственного и гидротехнического строительства на структурно-неустойчивых грунтах возникла и стала актуальной во всем мире в последние годы в связи с широким освоением новых территорий, сложенных этими грунтами, с целью использования их в народном хозяйстве.

Сказанное особенно относится к южным засушливым регионам с засоленными (обычно просадочными грунтами), проявляющими в условиях долговре-. менного увлажнения при гидромелиоративном освоении большие по величине, резко неравномерные и опасные для целостности возведенных на них сооружений деформации.

В России засоленные просадочные почвогрунты распространены в юго-восточных регионах Европейской части, в Центральном и Восточном Предкавказье, Северном Кавказе, Западно-Сибирской низменности, Урале, занимая до 10 процентов от общей площади, и в основном приурочены к перспективным для орошения землям.

В других странах подобные грунты занимают значительные континентальные и приморские территории Азии, Африки, Америки и Европы преимущественно с засушливым климатом. Например, в Сирийской Арабской Республике, гражданином которой является автор, засоленные грунты занимают до 50% территории, предназначенной к орошению.

Отличительной особенностью засоленных лессовых грунтов как оснований и среды гидросооружений (TTC) является их способность при кратковременном первоначальном увлажнении давать быстрые, провального характера, большой величины и неравномерности вертикальные перемещения, а при длительной фильтрации через них воды - многолетние осадки в результате выщелачивания солей (химическая суффозия), а при определенных напорных градиентах и уело-

виях дренирования - прорывы и промывы (механическая суффозия) грунтовых массивов в основаниях каналов и ГТС аварийного характера.

Отмеченное поведение засоленных просадочных грунтов при взаимодействии с каналами и гидросооружениями вызывает серьезные осложнения в обеспечении их надежности, существенные потери сельскохозяйственной продукции с орошаемых земель из-за частых отказов от нормальной эксплуатации и даже аварии оросительной сети, что приводит к большим экономическим, социальным и экологическим потерям.

До настоящего времени в инженерном грунтоведении и механике грунтов различают отдельно два вида засоленных грунтов: лессовые просалочные. в которых легкорастворимые соли входят во внутриструктурные связи, а небольшое содержание трудно растворимого гипса не играет роли в механизме просадочных деформацией, и загипсованные с большим содержанием скелетообразующего гипса (которые и получили собственно наименование засоленных), предрасположенные к существенным суффозионным деформациям.

Если опыт проектирования и мелиоративного строительства на просадочных лессовых грунтах достаточно основательно обобщен и сведен в Ведомственные Нормы ВСН 33-2.2.06-86, то сведения по проблеме устройства ГТС на засоленных (загипсованных) грунтах явно недостаточны, разрознены, требуют серьезного обобщения и дальнейших исследований. Особенно это относится к региональным условиям строительства оросительных систем на засоленных грунтах Сирии, к решению проблемы обеспечения надежности ГТС на которых еще только приступили.

Целью исследования является совершенствование отдельных приемов проектирования ГТС оросительных систем на засоленных просадочных грунтах при расчете их по совместным предельным вертикальным перемещениям, а также разработка материалов для составления Норм по проектированию оросительных систем на засоленных грунтах, либо рекомендаций по применению основных по-

ложений упомянутых ранее Норм в качестве обобщающего директивного документа для обоих специфических видов засоленных грунтов.

Задачи исследования в соответствии с темой и целями диссертационной работы заключались в следующем:

1. Детальное ознакомление с современным уровнем исследований, проектирования, строительства и эксплуатации гидросооружений оросительных систем на засоленных фунтах по имеющимся в технической литературе сведениям как в России, так и ближнем и дальнем зарубежье, в том числе - в Сирии.

В результате систематизации, анализа и обобщения имеющихся по проблеме материалов установить вопросы для дальнейшей подробной проработки и исследования.

2. Проведение широкого комплекса лабораторных исследований по определению расчетных показателей физико-механических, химических и фильтрационных свойств засоленных лессовых просадочных грунтов.

Экспериментальные лабораторные исследования по установлению закономерностей деформируемости этих грунтов при кратковременном замачивании (просадки) и длительном фильтрационном увлажнении (суффозионной осадки).

Проверка, уточнение и совершенствование принятых расчетных моделей, схем и формул по определению совместных вертикальных перемещений ГТС и засоленных просадочных оснований.

3. Сравнительное исследование (по сравнению с нормативной методикой) эффективности предложенного автором нового лабораторного способа ускоренного определения расчетных параметров суффозионного сжатия засоленных грунтов замачиванием их слабым раствором соляной кислоты.

4. Первоначальная разработка предложенного нового метода расчета просадки основания ГТС по модели среды предельного равновесия грунта при потере им прочности (разрушения) в результате замачивания в неизменном напряженном состоянии.

5. Установление основных принципов, инженерных приемов и мероприятий по обеспечению надежной работы гидросооружений оросительных систем на засоленных просадочных грунтах. В качестве практической реализации результатов исследования разработать рекомендации и предложения по улучшению конструктивных решений системы "гидросооружение - засоленное просадочное основание".

Методика исследований состояла в сборе, обработке и анализе данных по рассматриваемой проблеме; ознакомлении с работой каналов и сооружений на оросительных системах, строящихся и эксплуатируемых на засоленных землях в Сирии; проведение большого объема лабораторных опытов по традиционным и специальным методикам по установлению необходимых расчетных характеристик грунтов и их изменение по времени фильтрации, а так же опытов с длительным выщелачиванием засоленных лессовых суглинков на специальной разработанной компрессионно-фильтрационной установке.

Лабораторные исследования проводились на засоленных лессовых просадочных суглинках естественного сложения из монолитов, отобранных в целинной восточной части Ставропольского края (Северный Кавказ, Россия) в районе трассы второй очереди большого Ставропольского канала.

Работа выполнялась в период с 1997 по 1999 г.г. на кафедре "Основания и фундаменты" Московского Государственного Университета Природообустройст-ва. Лабораторные работы проводились в лаборатории грунтов кафедры "Основания и фундаменты" МГУП, а химические анализы - в лабораториях Московской Сельскохозяйственной Академии им. К.А. Тимирязева и ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова.

Научная новизна исследования обусловливается:

- комплексным рассмотрением совместной работы гидросооружений оросительных систем и грунтовых оснований, сложенных засоленными грушами как единой группы глинистых пород, обобщенных по признаку засоленности, выде-

ляемых однако в настоящее время как отдельные виды соответственно просадоч-ных и суффозионно-неустойчивых;

- уточнением имеющихся расчетных схем по определению напряженно-деформированного состояния засоленных грунтов в процессе просадки по теории линейно-деформируемых сред и формулированием новых представлений о механизме просадки как потери прочности грунтом при увлажнении в неизменном напряженном состоянии и как следствие - определением ее величины по теории предельного равновесия грунтовой среды;

- обоснованием предложения о возвращении к ранее имевшемуся в Нормах разделению общей вертикальной деформации засоленных просадочных грунтов при увлажнении на кратковременную опасную просадку и длительную суф-фозионную осадку. Отнесением первой по воздействию на эксплуатационную надежность ГТС (отказу от эксплуатации - аварии) к факторам первой группы предельных состояний, а суффозионной осадки - факторам второй группы (отказу от нормальной эксплуатации);

- разработкой расчетных схем по определению относительных вертикальных перемещений ГТС при замачивании их засоленных просадочных оснований фильтрационным потоком;

- формулированием принципов и отдельных инженерных приемов и мероприятий по обеспечению надежности системы "гидросооружение-засоленное просадочное основание".

Практическое значение исследования заключается в разработке новых и совершенствованию имеющихся расчетных приемов проектирования гидросооружений оросительных систем на засоленных просадочных грунтах по предельным состояниям.

Установлено, что полученные для исследованных засоленных суглинков результаты и расчетные зависимости вполне применимы к подобным грунтам региона Сирии.

Результаты исследования изложены в виде конкретных рекомендаций и материалов для практического использования либо при применении положений действующих ВСН 33-2.2.06-86 для всех видов засоленных грунтов, либо для составления в будущем специальных норм для условий мелиоративного строительства на суффозионно неустойчивых грунтах.

Разработан новый способ ускоренного определения расчетных характсри-

и 11 V

ститс и параметров длительной суффозионнои осадки, позволяющий резко снизить затраты па время проведения опытов без снижения точности результатов.

В результате предложения о расчете гидросооружений по совместным просадкам с основанием, как фактору, первой группе предельных состояний, дан прием установления расчетной величины относительной просадки с учетом коэффициентов надежности по грунту и условий работы. Последний корректирует в основном использование результатов компрессионных испытаний применительно к реальным условиям работы грунта в основании ГТС

Предложен качественно новый подход и предварительная расчетная схема по определению размера просадки по модели предельного равновесия грунта.

В качестве практической реализации разработанных рекомендаций но обеспечению надежности ГТС на засоленных просадочных грунтах предложена с их учетом конструкция наиболее типичного сетевого сооружения на оросительных каналах-трубчатого регулятора с переездом и перепадом до 3.0 м.

Апробация работы и публикации. Результаты проведенного исследования регулярно докладывались на ежегодных апрельских научно-технических конференциях МГУП и публиковались в их трудах за период 1997- 1999 г.г.

Всего опубликовано 5 работ, включая две публикации во ВИНИТИ.

1 I-

2. ОЧЕРК РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ГИДРОСООРУЖЕНИЙ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТАХ.

2.1. Особенности совместной работы сооружений и оснований,

сложенных засоленными грунтами.

2.1.1. Засоленные грунты как основания, среда и материал для гидросооружений.

Вследствие своего происхождения и дальнейшего геологического существования засоленные грунты слагают покровные слои земного рельефа, а потому широко используются как сельскохозяйственные угодья, а при строительстве зданий, сооружений, гидромелиоративных систем и других водохозяйственных объектов - в качестве оснований, среды и местного строительного материала для различного назначения сооружений.

По строительной классификации грунтов (ГОСТ 25100 - 82 «Грунты. Классификация». Госстрой; М, 1982) к засоленным относятся такие разновидности грунтов, которые содержат легко и среднерастворимые соли (в % от массы абсолютно сухого грунта) в количестве:

- полускальные - более 2%;

- крупнообломочные (в зависимости от содержания в них песчаного, пы~ леватого, либо глинистого заполнителя) - 0,5... 5 % и более;

- песчаные - более 0,5 %;

- глинистые - 5 % и более.

Ввиду того, что из перечисленных разновидностей засоленных грунтов наиболее распространенными, а потому обычно широко используемыми при мелиоративном освоении земель, наиболее опасными по величине, форме и времени проявления деформаций являются глинистые грунты, они и рассматриваются в дальнейшем в настоящей работе.

Соленакопление в грунтах как морского, так и континентального генезиса связано с процессом растворения и химического выветривания горных пород, пе-

рехода минералов в солевые растворы, перемещением их подземными и поверхностными водами и созданием в грунтах аккумуляций солей (В.А. Ковда, 1946).

Континентальное соленакопление приурочено к территориям с засушливым климатом и отрицательным водным балансом в грунтах. В этих условиях происходит интенсивное испарение с выделением кристаллов солей из пересыхающих поровых растворов в зоне капиллярного поднятия или восходящего движения близко расположенных к поверхности грунтовых вод (особенно в обширных бессточных депрессиях).

Особо следует отметить явление возможного засоления поверхностных слоев грунта под влиянием антропогенных факторов - в первую очередь в результате несовершенства систем и т