автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Ускоренный метод определения допускаемыхнеразмывающих скоростей течения воды дляканалов в связных грунтах

На правах рукописи

Р'В 0л

САВВАТЕЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ ' /¿)

Ускоренный метод определения допускаемых неразмывающих скоростей течения воды для каналов в связных грунтах

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институ гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова и в Государственнс предприятии - специализированном научном центре «Госэкомелиовод»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Алиев Тапдых Алипашаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Боровков Валерий Степанович кандидат технических наук

Кормыш Евгений Иванович

Ведущая организация - Производственное объединение

«Совинтервод»

Защита состоится 22 декабря 2000 г. в 11 часов на заседай диссертационного совета К 120.41.01. в Государственном предприятии специализированном научном центре «Госэкомелиовод» по адресу 107005, г. Москва, ул. Бауманская, 43/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП СЬ «Госэкомелиовод».

Автореферат разослан 20 ноября 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

старший научный сотрудник Колесникова Татьяна Васильевна

НП-02-/.2 ,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Размывы грунтовых гидротехнических сооружений и каналов являются проблемой при их проектировании, строительстве и эксплуатации. Технические решения по недопущению и регулированию размывов назначаются по результатам инженерно-геологических изысканий.

Проблема упрощения, уменьшения трудоемкости, стоимости и длительности инженерно-геологических изысканий весьма актуальна для всех строительных отраслей, и особенно при обосновании и проектировании гидротехнических и мелиоративных мероприятий. Это обусловлено гораздо большей площадью земель, на которых необходимо проводить изыскания для гидротехнических сооружений и мелиоративных систем, чем это требуется для промышленного и гражданского строительства.

Проведение инженерно-геологических изысканий на столь больших территориях связано с большими затратами, поскольку отбор, хранение, транспортировка монолитов грунта, проведение детальных лабораторных опытов очень трудоёмки, дороги и длительны.

. Кроме того, исследование грунтов в мелиоративном и гидротехническом строительстве имеет ряд важных особенностей. Грунты здесь используются не только как основания, но и как среда сооружений,..и как строительный материал, и как объект целенаправленных инженерных воздействий. В гидротехнике и мелиорации приходится использовать практически любые грунты, имеющиеся в зоне строительства, в том числе слабые и структурно-неустойчивые. При этом, кроме прочности и деформируемости, большое значение в гидротехнике и мелиорации имеет размываемость грунтов. Определение размываемости грунтов требует проведения сложных, трудоёмких и дорогих лабораторных испытаний.

Этим обусловлена важность создания упрощённых ускоренных методов оценки размываемости грунтов.

Целью настоящей работы является обоснование ускоренного метода определения допускаемых неразмывающих скоростей течения воды для каналов в связных грунтах, обеспечивающего снижение

трудоёмкости и ускорение инженерно-геологических прогнозов, при достаточной на ранних стадиях проектирования достоверности.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

• выявить особые требования гидротехнического и мелиоративного строительства к исследованиям и оценке свойств грунтов;

• выполнить анализ известных методов оценки допускаемых неразмывающих скоростей;

• определить эффективное направление научного поиска, методику и состав исследований;

• определить номенклатуру нужных.показателей свойств грунтов;

• сформировать представительный массив независимых исходных данных;

• обосновать выбор комплексного первичного показателя свойств связного грунта;

• исследовать влияние различных факторов и усовершенствовать методику опытного определения первичного показателя свойств связного грунта;

• выявить и исследовать взаимосвязи первичного показателя с другими свойствами грунта;

« выполнить анализ формул, описывающих процесс размыва потоком земляного русла;

• выполнить анализ зависимостей между придонной и средней скоростью потока;

• обосновать и разработать новый ускоренный метод определения допускаемых неразмывающих скоростей;

• определить экономическую эффективность предлагаемого нового метода;

• организовать внедрение . и производственную проверку достоверности и эффективности результатов исследований;

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало обобщения и анализа научных и практических достижений в областях гидравлики, инженерной геологии, гидротехники и мелиорации; теоретических обоснований и экспериментальных полевых и лабораторных исследований; выбора нового комплексного критерия

:войств грунтов; статистических обоснований, экспертных оценок, (вристических поисков и создания изобретений.

Научная новизна заключается в создании нового комплексного юрвичного показателя свойств связного грунта - коэффициента быстроты >азмокания; в исследовании влияния различных факторов на результаты >пыта, усовершенствовании методики определения быстроты размокания рунта и расчёта коэффициента быстроты размокания; в выявлении и кхледовании взаимосвязей быстроты размокания с гранулометрическим юставом, пластичностью, просадочностью, деформируемостью и юдопроницаемостью грунтов, в выявлении общей физико-химической :ущности и взаимосвязи деструктивных процессов размокания и размыва :вязного грунта, и в создании на этой основе принципиально нового некоренного метода определения допускаемых неразмывающих скоростей ечения воды для связных грунтов.

Достоверность полученных результатов обеспечена ^пользованием обширного массива независимых исходных данных и статистических методов, сопоставлением расчётных результатов с ;анными экспериментальных полевых и лабораторных исследований, и со стандартными расчётными методами, и дополнительно подтверждена фоизводственной проверкой в ЗАО ПО «Совинтервод» при фоектировании реальных гидротехнических сооружений.

Практическая ценность работы обусловлена многократным снижением трудоёмкости, длительности и стоимости определения эазмываемости связных грунтов при обосновании проектов идротехнических и мелиоративных сооружений, и созданием возможности эперативного определения допускаемых неразмывающих скоростей при фоектировании каналов, русловыправительных и берегозащитных мероприятий, назначении размеров водотоков и определении 1еобходимости креплений.

Апробация работы. Результаты исследований автора укладывались на научно-технических конференциях ВНИИГиМ и МГУП в 1999 г. и на секциях учёного совета ВНИИГиМ в 1999 и 2000 г.г. эезультаты исследований автора использованы в утверждённых эекомендациях «Конструкции и расчёт ГТС на просадочных грунтах», а акже апробированы при- проектировании защитных дамб Тенгизского и

Эмбинского нефтяных месторождений на побережье Каспийского моря, верхней плотины на р. Кебир в Сирии, причём отмечено многократно снижение трудоёмкости и длительности определений свойств грунтов.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 1 печатных работ, в том числе 6 авторских свидетельств и патентов н изобретения.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы v 131 наименования и приложений. Основное содержание изложено на 10 страницах, в том числе 2 таблицы и 30 рисунков. Приложения содержат 2 таблицу на 30 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложены результаты изучения современной состояния проблемы размыва грунтовых гидротехнически; сооружений.

Грунты - это горные породы, составляющие верхние пласты земно! коры, используемые в инженерных сооружениях или подвергающиеся и; воздействиям. Изучению свойств грунтов посвящены работы В.Ф. Бабкова В.М. Безрука, Л.С. Берга, В.Г. Березанцева, Г.К. Бондарика, Н.М Герсеванова, С.С. Вялова, М.Н. Гольдштейна, Н.Я. Денисова, Р.С Зиангирова, Н.И. Кригера, А.К. Ларионова,-H.H. Маслова, В.А. Флорина В.А. Обручева, К. Терцаги, H.A. Цытовича и других исследователей, чьимь трудами создано современное грунтоведение. Рассмотрены известны« классификации грунтов, подробно - классификация Е.М. Сергеева учитывающая условия генезиса, литогенеза и инженерно-геологические свойства грунтов как естественно-исторических образований, имеющи) сложную структуру, характеризующихся, помимо морфологически) особенностей, определёнными структурными связями.

В инженерной деятельности большое значение имеет устойчивость грунтов. Под устойчивостью горных пород подразумевается ю способность сохранять данное физическое состояние, прочность ^ равновесие, несмотря на действие на них различных сил (агентог

¡ыветривания, силы тяжести, гидростатического и гидродинамического явления и др.).

Полагаем, что к числу факторов, способных влиять на устойчивость рунтов, необходимо отнести также воздействия от сооружений, влажнение, гидравлические размывающие воздействия и температурные вменения.

Наряду с прочными и устойчивыми грунтами, часто встречаются и :лабые (или структурно-неустойчивые) грунты. Они представляют ¡аибольшие сложности при изысканиях, проектировании и осуществлении 1нженерных сооружений и мероприятий. Наиболее важные исследования лабых и структурно-неустойчивых грунтов выполнены Ю.М. и М.Ю.' Селевыми, В.П. Ананьевым, Л.Г. Балаевым, P.C. Зиангировым, A.A. Кирилловым, Н.И. Кригером, В.И. Круговым, А.К. Ларионовым, A.A. 1устафаевым, С.С. Савватеевым, A.M. Силкиным, В.Т. Трофимовым, H.H. >роловым и др.

Такие грунты весьма часто являются материнскими породами аиболее плодородных почв, и поэтому на сложенных ими территориях ктивно развивается земледелие. Спутниками земледелия являются идротехника и мелиорация, а в месте с ними - эрозия и размывы.

При гидротехнических и мелиоративных мероприятиях грунты JUPOKO используются не только как строительный материал или как снования (среда) сооружений, но и как объект целенаправленных нженерных воздействий. При этом особенно важна оценка азмываемости грунтов, показателем которой является допускаемая еразмывающая скорость течения воды для данного грунта. Наиболее ажные работы в этой области выполнены С.Х Абальянцем, B.C. лтуниным, Т.А. Алиевым, B.C. Боровковым, В.Н. Гончаровым, В.В. едерниковым, М.А. Великановым, Т.Г. Войнич-Сяноженцким, М.Н. аславским, B.C. Коротковым, A.M. Латышенковым, И.И. ЛевиДС. апшенковым, Н.И. Маккавеевым, Ц.Е. Мирцхулава, Б.Ф. Снищенко, С.С. оболевым, Б.И. Студеничниковым, Р. Хортоном, P.C. Чаловым, Г.И. 1амовым, Г.И. Швебсом, Б.С. Шумаковым и многими другими учёными.

В настоящее время допускаемые неразмывающие скорости течения эды для связных грунтов определяются согласно СНиП 2.06.03-85 в висимости от расчётного удельного сцепления грунта и содержания в

нём легкорастворимых солей. Другой широко используемой методикой определения неразмывающих скоростей для связных грунтов являются формулы, рекомендуемые ВТР-И-25-80.

Существующие методы определения допускаемых неразмывающих скоростей для связных грунтов не лишены недостатков. Так, СниП 2.06.03-85 разделяет фунты .по засоленности на две группы, что ведёт к погрешностям и скачкообразному изменению значений искомой допускаемой скорости. Имеется неопределённость при ^ оценке основного исходного показателя - удельного сцепления грунта, поскольку его значения сильно зависят от условий проведения опытов и от способа обработки их результатов. Имеются противоречия при оценке других исходных параметров. Определение требуемых исходных характеристик по известным методам весьма трудоёмко и длительно. Главным же является то, что эти характеристики не в достаточной степени являются прямыми показателями размываемости грунтов, а связаны с нею лишь косвенно, чем обусловлен большой разброс результатов.

Попытки определять допускаемые неразмывающие скорости воды на основании простейших характеристик грунтов до настоящего времени к успеху не привели.

На основе выполненного анализа определены цель и задачи настоящей работы

Во второй главе приведено обоснование нового ускоренного метода определения размываемости связных грунтов. Рассмотрены требования к инженерно-геологическим обоснованиям технических решений по гидротехническим сооружениям и каналам и по организации ландшафтов. Основными являются вопросы о вероятности размывов, о целесообразности устройства противоэрозионных сооружений, о предельных заложениях откосов, о необходимости устройства креплений и облицовок каналов. Во всех этих случаях основным расчётным критерием является допускаемая неразмывающая скорость течения воды.

Соответственно избрано направление исследований: создание ускоренного метода оценки размываемости связных грунтов с использованием простейших их характеристик. Эти характеристики должны быть быстро и просто определяемыми. Во-вторых, э.ти

зрактеристики должны быть из ряда стандартных (или хотя бы эадиционных) в грунтоведении. В-третьих (и это самое главное) - эти зрактеристики должны характеризовать водостойкость грунтов, которая ависит от комплекса свойств фунта, имеющих различную физико-лмическую природу. Между тем, каждая из простейших характеристик гображает, как правило, лишь какое-либо одно свойство грунта. Поэтому озникает четвёртое требование: определить минимальное количество, еобходимых первичных (простейших) характеристик, или предложить эмплексную первичную характеристику.

Основным направлением дальнейших исследований, конечно, олжен быть поиск зависимостей между этиийи первичными эрактеристиками грунтов и допускаемой неразмывающей скоростью эчения воды.

Методика исследований избрана в соответствии с целью и адачами настоящей работы, которые требуют обобщения и налитического обзора известных исследований и практического опыта в ассматриваемой области, и на этой основе теоретических обоснований овых подходов и критериев, формирования обширного массива исходных анных и его обработки методом математической статистики, создания зобретений, разработки на основе результатов исследований новых эхнических решений и расчётных методов, технико-экономических боснований.

Используемый в данной работе подход отличается тем, что с целью олучения наиболее достоверных результатов, исследования проведены обоснования построены на независимых исходных материалах, обранных различными авторами и организациями в разных районах, ричём используется необходимый и достаточный комплекс характеристик эунтов. Избранный подход представляется наиболее эффективным как о научным позициям (обширность, полнота, независимость исходных анных), так и по организационным (минимизация экспедиций и кспериментов).

Состав исследований включает: аналитический обзор ассматриваемых объектов и задач; обоснование и определение эмплексного первичного показателя свойств грунтов, формирование редставительного' массива независимых исходных данных;

усовершенствование методики определения исходного показател: свойств грунта; обоснование нового ускоренного метода определена размываемости связных грунтов; выполнение примеров расчётоЕ определение технико-экономической эффективности результате! исследований.

Обширный представительный массив независимых исходны; данных необходим для вовлечения их в совместную статистическун обработку и для выявления наиболее общих и достоверны; закономерностей. Использование независимых источников позволяет расширить базу данных и повысить достоверность получаемы) результатов. По фондовым и литературным источникам и по результатаь собственных экспериментальных исследований сформироваь необходимый обширный массив независимых исходных данных содержащий исчерпывающие характеристики 115 разновидностей грунтов.

Комплексным исходным показателем, который определяется просто и быстро, и при этом отражает комплекс основных свойств грунта предлагается считать быстроту его размокания, поскольку она зависит от плотности, влажности, гранулометрического и минералогического состава грунта, содержания и типа солей, количества и состояния коллоидов, водостойкости структурных связей, и следовательно, комплексно отражает все эти свойства.

До последнего времени быстрота размокания грунта не использовалась для таких целей, поскольку она не имела однозначного количественного выражения и характеризовалась лишь в виде словесной характеристики. На основании анализа результатов исследований из литературы предлагается использовать удельное (на 1 г. сухого грунта) время размокания. Этот показатель является однозначной количественной оценкой размокаемости грунта.

Тогда же было высказано предположение, что "имеется взаимосвязь между быстротой размокания и размываемостью грунтов. Полученная зависимость была первой в своём роде, она устанавливала линейную связь между удельным временем размокания грунта и средней допускаемой неразмывающей скоростью течения воды. Однако эта зависимость обладала рядом недостатков. Она была получена при недостаточном количестве исходных данных, коэффициенты нуждались в

ггоч'нении, были нарушены требования размерности. Принципиальный ^достаток состоял в том, что изучаемый процесс не может описываться чинейной функцией.

Искомая зависимость, вероятно, будет отображаться кривой, гаторая должна пересекать ось ординат в некоторой точке, юответствующей допускаемой скорости для грунта с идентичным ранулометрическим составом, но лишённого связности. Начальная часть сривой, видимо, должна интенсивно возрастать, соответственно увеличению неразмывающих скоростей при повышении водостойкости ■рунтов. Дальняя же часть кривой, вероятно, будет более пологой, юскольку допускаемые неразмывающие скорости не могут возрастать' эесконечно, тогда как время размокания некоторых грунтов может быть неограниченно большим.

В третьей главе приведены описание и результаты экспериментальных исследований связных грунтов. Места и объекты экспериментальных исследований были избраны такими, для которых эыли ранее проведены детальные инженерно-геологические изыскания и пабораторные исследования специализированными организациями. Материалы этих исследований изучались нами в процессе формирования массива исходных данных (глава 2). Для 115 разновидностей грунтов /далось извлечь всю необходимую информацию о свойствах грунтов, однако на некоторых массивах не определялось время размокания. Между гем, именно эта характеристика грунтов необходима для наших цальнейших исследований.

Опыты выполнялись с использованием портативного стандартного прибора ПРГ.

В1997 г. были проведены полевые опыты и натурные обследования з бассейне реки Карасук в Новосибирской области, в дополнение к детальным инженерно-геологическим изысканиям института :<Запсибгипроводхоз».

Испытуемые грунты представлены различного вида суглинками четвертичного возраста. Влажность образцов большей частью в пределах эт 19 до 30%, реже встречались маловлажные (4-8%) грунты, в основном а верхних бровках руслового вреза. Было выполнено 72 опыта.

Время размокания велико для верхних гумусированных слоев (почв) и для тяжёлых суглинков тёмно-серого и желтовато-коричневого цвета. Эти маловлажные породы (4-7%) размокают очень медленно, либо не размокают совсем, удельное время размокания более 700 с/г. Средние суглинки при средней влажности 23-24% имеют удельное время размокания от 30 до 300 с/г. Светло-коричневые суглинки, взятые из шурфов на верхней бровке руслового взреза, маловлажные (7-10%), размокают быстро (удельное время размокания 5...25 с/г). Суглинки лёгкие жёлтые желтовато-палевые, имеющие влажность 22-24%, размокают очень быстро, удельное время размокания 1... 15 с/г.

В ходе рекогносцировочных обследований бассейна реки Карасук была отмечена следующая закономерность: верховья реки более подвержены эрозионным процессам, сильнее изрезаны промоинами, оврагами, балками, чем нижняя часть бассейна. Это связано с распространением здесь лёгких суглинков, быстро размокающих и более подверженных размыву. Гумусированные и сподзоленные суглинки нижней части бассейна практически не размокают, и в то же время устойчивы к размыву. Эта связь эрозионных процессов с составом грунта и с быстротой его размокания подтверждает наше предположение о взаимосвязи процессов размыва и размокания грунтов.

Кроме того, выполнено 37 опытов при разной температуре воды.

В 1998 году были проведены полевые опыты на трассе строившегося в 80-е годы канала Волга-Дон. Инженерно-геологические изыскания были выполнены в этом районе СОИЗИ Союзгипроводхоза.

В геологическом строении изученных площадок принимают участие отложения неогенового и четвертичного возрастов. Верхнечетвертичные и современные делювиальные отложения имеют наибольшее распространение в этом районе. Они представлены суглинками коричневыми, светло-серыми и буровато-коричневыми, макропористыми. В суглинках наблюдаются гнёзда, прожилки, конкреции, кристаллы гипса и карбоната. Делювиальные отложения на всю их мощность залегания 11-20м. представляют один инженерно-геологический элемент (ИГЭ) и классифицируются как суглинки лёгкие, пылеватые, твёрдой консистекции. Суглинки подстилаются песками ергенинской свиты неогена.

Дополнительно были проведены экспериментальные исследования »ыстроты размокания этих грунтов. Выполнено 50 опытов. Суглинки :арактеризуются очень быстрым (до 2 минут) и быстрым (до 30 минут) взмоканием. Удельное время размокания от 1,7 до 22,7 с/г, причём иеньшие значения принадлежат супесям и лёгким суглинкам, большие -¡углинкам средним. В районе исследований развиты эрозионные |роцессы (овраги, балки).

Выполнено ещё 50 опытов при различной температуре воды.

Город Волгодонск расположен в Ростовской области вблизи Цимлянского водохранилища. Этот город получил известность в 70-е годы ак город-новостройка, стремительно выросший возле градообразующего |редприятия - гигантского завода «Атоммаш». В 80-е годы Волгодонск :тал ещё более известен из-за многочисленных аварий городских домов, 1ехов, производственных корпусов и повреждений уникального ехнологического оборудования завода «Атоммаш». Дело в том, что город I завод построены на территории, сложенной просадочными лёссовыми рунтами. После деформаций и аварий грунты этого региона были изучены 1чень тщательно. Более того, здесь были существенно совершенствованы методы опробования и прогноза устойчивости и [еформаций грунтов, методы проектирования и строительства/ Характеристики грунтов г. Волгодонска определены по результатам ,етальных исследований НИИОПС и ВСЕГИНГЕО. Следует отметить, что >азмокаемость и 'размываемость фунтов так и не были изучены.

Нами в 1998г. проведены дополнительные экспериментальные сследования. В характерных и наиболее исследованных местах были ройдены шурфы с отбором проб и определением удельного времени азмокания грунтов. Всего было испытано 38 образцов. Грунты эти азмокают очень быстро, удельное время размокания 6... 14 с/г. Кроме ого, здесь проведены экспериментальные исследования влияния емпературы воды на быстроту размокания грунта (39 опытов).

Результаты 160 определений быстроты размокания грунтов ключены в сводный массив независимых исходных данных о свойствах эунтов и использованы для выявления искомых закономерностей, [ополнительные 126 опытов при различной температуре воды показали, о при её повышении грунты размокают быстрее. Эти результаты,

совместно с данными других исследователей, использованы дл; количественного описания этой закономерности и для учёта её пр| испытаниях фунтов.

В четвёртой главе выполнена разработка нового ускоренной метода определения допускаемых неразмывающих скоростей Уточнена методика определения комплексного исходного показател! свойств грунта - удельного времени размокания.

Время размокания грунтов существенно зависит от температурь воды. С повышением температуры воды удельное время размокани грунтов уменьшается. Графики этой зависимости имеют ви, соответствующий функции

(1)

где х1 - удельное время размокания грунта при температуре воды I градусах Цельсия;

Коэффициент К определяет высоту расположения графика & следовательно, отражает свойства данного грунта. Показатель степени определяет кривизну графика и выражает характер зависимост удельного времени размокания грунта от температуры воды.

Предлагается считать базовыми результаты, получаемые пр температуре воды 20°С. Результаты, полученные при других температура в практически актуальном диапазоне 3° ... 40°С, могут быть приведены базовым следующим путём:

. Ю

т, к,п V//

где т20 - удельное время размокания грунта при температуре воды 20°С.

Обработка совокупности опытных данных с использование стандартной программы статистического анализа позволила установить формуле (2) значение показателя степени п= -0,33 при коэффициент корреляции Я=0,86.

тМ ■

Тогда: г20=2714' (3)

Химический состав воды существенно влияет на результат испытаний, поскольку от него зависит быстрота растворен цементирующих солей, пептизация или коагуляция коллоидов и т. Поэтому целесообразно ограничить диапазон изменений химическо

эстава воды, используя воду пригодную для питья (соответствующую ОСТ 2874-83), так как она обладает достаточно определённым лмическим составом и имеется в наличии практически везде.

Размеры образца также влияют на результаты испытаний, птимальный размер образцов 25...35 мм. При таком ограничении ззмеров образцов и при переходе к удельному времени размокания эгрешность, вызываемая влиянием размера образца, несущественна.

Продолжительность опыта была неопределённой. Удельное время ззмокания просто определяется лишь для быстро и полностью ззмокающих грунтов. Однако многие грунты размокают медленно, не элностью, или совсем не размокают. В таких случаях неясно, когда педует прекращать опыт и как определить удельное время размокания. ами предложено определять его по части размокшего (провалившегося свозь сетку прибора) грунта, ограничивая продолжительность опыта 2 ггками.

Начальная (перед опытом) влажность грунта существенно влияет а быстроту размокания грунта. Но она также влияет и на его эзмываемо'сть. Поэтому предлагается испытывать грунты естественной пажности. Если же в результате проектируемых мероприятий влажность >унта изменится, то грунт следует испытывать в таком состоянии, какое /дет в реальных условиях при воздействии водного потока.

Естественная неоднородность грунтов влечёт высокую зроятность получения случайного результата. Для уменьшения этого пияния предлагается увеличить повторность, подвергая параллельному ;пытанию не менее 10 образцов вместо обычных 6, требуемых СНиП и ЭСТ. В нашем случае увеличение повторности не вызывает проблем, эскольку всё равно обеспечивается многократное снижение )удоёмкости, продолжительности и стоимости испытаний, по сравнению ) стандартными испытаниями.

С учётом сказанного, предлагается следующая методика тределения удельного времени размокания грунта.

Испытания проводят для грунтов ненарушенной природной ■руктуры и влажности или в таком состоянии, какое будет в реальных ¡ловиях при воздействии водного потока. Для испытаний вырезают разцы с размером стороны 25...35 мм. Определяют вес С и влажность

со. Испытания проводят в воде пригодной для питья (соответствующей требованиям ГОСТ 2874-83) при температуре 20°С. Образец устанавливают на сетку прибора ПРГ, погружают в воду, фиксируют время полного размокания Т и находят удельное время размокания по формуле:

г20

О

Для неполностью размокающих образцов продолжительность опыта ограничивают величиной 7"=172800 с (2 суток), определяют размокшую (провалившуюся сквозь сетку прибора) часть образца п ( в долях единицы), и находят удельное время размокания образца по формуле:

'20 = ^- (5)

ф

При температуре воды I отличающейся от 20°С, результаты испытаний т, приводят к базовому значению по формуле:

(6)

Параллельно испытывают не менее 10 образцов, вычисляют среднее значение удельного времени размокания грунта т20, и находят значение коэффициента быстроты размокания грунта по формуле:

(7)

г

где г' - удельное время размокания'эталонного грунта, равное 1 с/г.

Связь быстроты размокания с другими свойствами грунтов исследована на основе анализа обширного массива независимых исходных данных (глава 2) с использованием ' методов теории математического планирования эксперимента и многофакторного анализа. Математическая обработка, выполненная с использованием стандартных программ регрессионного анализа, позволила получить графики V эмпирические формулы, выражающие эти новые, выявленные намк закономерности взаимосвязей между свойствами грунтов.

Характерные влажности на границах раскатывания и текучести, у число пластичности грунта, а также содержание глинистых частиц теснс связаны с удельным временем размокания - с их возрастанием увеличивается и удельное время размокания. С содержанием песчаных ^ пылеватых частиц связь обратная. Увеличение удельного времен размокания грунта сопутствует возрастанию удельного сцепления

меньшению угла внутреннего трения грунта. Деформируемость, росадочность и водопроницаемость грунтов зависят от двух факторов : от цельного времени размокания, но ещё и от пористости. Итак, выявлены есомненные связи важнейших свойств связных грунтов (пластичности, зансостава, удельного сцепления и др.) с удельным временем азмокания. В частности, удельное сцепление увлажнённого грунта вязано с удельным временем его размокания соотношением:

С„ = 0,0094ЛГГ +0,0079, (8)

где см - удельное сцепление, Мпа; кг - по формуле (7).

Эти впервые выявленные закономерности соответствуют физической /щности рассматриваемых процессов (гл. 2), а их теснота одтверждается достаточно высокими значениями коэффициентов эрреляции 14=0,78...0,91. Эти позиции защищены авторскими видетельствами №1693201, №1739289. и Патентом РФ №2054501.

Таким образом, подтверждено наше исходное предположение (гл. 2) том, что удельное время размокания связного грунта зависит от его ажнейших свойств, и, соответственно, комплексно отражает все эти войства, и поэтому нами принято в качестве комплексного первичного оказателя свойств связного грунта и будет использоваться для их рогноза, в том числе для определения его размываемости.

Анализ формул, описывающих процесс размыва потоком емляного русла, показывает, что множество и сложность явлений, роисходящих в придонном слое потока, затрудняет теоретическое писание процесса размыва грунтов, особенно связных. Представляется ажным положение о том, что размыв связного грунта возможен лишь осле освобождения его частиц от связей, которое ещё раз убеждает в равильности наших предпосылок, сформулированных ранее в гл. 2.

На основе анализа связей между придонной и средней скоростью этока принят степенной закон изменения скоростей по вертикали, в звисимости от гидравлического сопротивления русла, с использованием звестных формул гидравлики.

Поиск зависимости между удельным временем размокания грунта и эпускаемой неразмывающей скоростью водного потока является »овной задачей наших исследований.

Поиск этой зависимости вёлся путём определения допускаемых донных и средних неразмывающих скоростей различными известными способами, и сопоставления их с удельным временем размокания этого грунта. Работы выполнялись в два этапа. На первом этапе расчёты выполнены для основных типов и категорий просадочных грунтов по их осреднённым характеристикам, имеющимся в специальной литературе.

Сопоставление показывает, что имеется явная закономерность: с уменьшением удельного времени размокания грунтов уменьшаются и допускаемые неразмывающие скорости течения воды. Эти зависимости описаны эмпирическими формулами при коэффициентах корреляции 0,8...0,95.

На втором этапе исследований подобные сопоставления выполнены путём конкретных расчётов для 115 разновидностей грунтов, с использованием обширного массива независимых исходных данных (глава 2).

Расчёты допускаемых неразмывающих скоростей водного потока были выполнены двумя способами: в соответствии с «Руководством пс определению допускаемых неразмывающих скоростей водного потока для различных грунтов при расчёте каналов» ВТР-П-25-80, и по СНиП 2.06.0385.

Наше предположение подтвердилось: имеется явная зависимость между удельным временем размокания грунтов и допускаемымк неразмывающими скоростями. При этом вид кривой оказался именнс таким, как это было нами предположено в главе 2.

Анализ и математическая обработка совокупности опытных I расчётных данных с использованием стандартных програмг регрессионного анализа позволили выразить эти закономерности в вид« следующих формул:

^,=^¿7(1,167^,+3,212)1 ^7^(0.434^+1,207)}'

где иш- средняя, при глубине потока 1м, допускаемая неразмывающа: скорость течения воды для связного грунта, м/с;

и0о- донная допускаемая неразмывающая скорость течения воды дл связного грунта, м/с;

- коэффициент быстроты размокания грунта, формула (7);

- ускорение свободного падения, # = 9,81м/с2;

' - средний размер отрывающихся отдельностей связных грунтов;

-о,003...0,005 м.

Теснота этих зависимостей характеризуется значениями ээффициента корреляции Р=0,74...0,83.

Выявленные при участии автора взаимосвязи между быстротой азмокания и другими свойствами грунтов и предложенные способы их пределения защищены авторскими свидетельствами на изобретения АС 91693201, АС №1739289 и Патентом РФ №2054501.

Для прямого опытного определения допускаемой еразмывающей грунт скорости водного потока также предложен эвый быстрый и экономичный метод с использованием нового алогабаритного портативного устройства, отличающегося тем, что ;пытания проводят в заполненном водой замкнутом цилиндрическом зсуде при вращательном движении воды (Патент РФ №2033491).

Примеры расчётов. Значения допускаемых неразмывающих юростей, рассчитанные по предлагаемым новым формулам (9), вполне (овлетворительно соответствуют значениям, определённым для этих же ;ловий стандартными способами.

Далее, с использованием полученных расчётных значений эпускаемых неразмывающих скоростей определены величины местных ззмывов в бьефах гидросооружений на просадочных грунтах, и затем »змеры противоэрозионных диафрагм и сопрягающих стенок оголовков, асчётные размеры воронок размыва и соответствующие размеры ютивоэрозионных диафрагм, рассчитанные по предлагаемым ормулам, закономерно возрастают с увеличением расходов воды и юсадочности (следовательно и размываемости) грунтов, и значительно 1евосходят обычно применяемые противоэрозионные устройства ГТС.

Предложены новые конструкции сооружений для мелиоративных и иродоохранных систем, обладающие усиленной защитой от размывов. С №1645344, Патент Р.Ф. №2029012).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого нового -¡прессного расчётного метода определена путём сравнения затрат на ытные определения, необходимые для реализации предлагаемой и

стандартной методик. Экспериментальные определения, необходимые для реализации предлагаемой новой методики, дешевле стандартны: определений в 23...45 раз.

Внедрение. Результаты исследований составили основу 6 авторски) свидетельств и патентов на изобретения.

Предложения по защите сооружений от размывов и по конструкциял* гидротехнических сооружений на структурно-неустойчивых грунта) использованы в Рекомендациях «Конструкции и расчёты ГТС не просадочных грунтах». Рекомендации согласованы и утверждены е установленном порядке, изданы и используются проектным!/ организациями гидротехнического, мелиоративного профиля.

Практическая реализация результатов исследований подтверждена справкой ЗАО ПО «Совинтервод» от 22.11.1999 г. об их использовании пру проёктировании защитных дамб Тенгизского и Эмбинского нефтяных месторождений на Казахском побережье Каспийского моря, а также Верхней плотины на р. Кебир в Сирийской арабской республике, причём отмечено многократное снижение трудоёмкости и длительности определений свойств грунтов.

ВЫВОДЫ

Размывы грунтовых гидротехнических сооружений и каналов являются проблемой при их строительстве и эксплуатации. Известные методы оценки допускаемой неразмывающей скорости течения воды основаны на определениях удельного сцепления грунта, удельного веса частиц, содержания легкорастворимых солей. Эти определения сложны, длительны (до нескольких месяцев) и дороги. Кроме того, известные методы содержат неопределённости и противоречия, а получаемые результаты имеют значительные (до двух раз) различия. Основным направлением работы избрано научное обоснование простого ускоренного метода оценки размываемости связных грунтов с использованием их простейших характеристик, путём выявления новых взаимосвязей между свойствами грунтов.

Определена номенклатура необходимых показателей, включающая геоморфологические, классификационные и геотехнические характеристики свойств грунтов, место исследований, число определений, источник информации. Сформирован представительный массив исходных данных о свойствах 115 разновидностей связных грунтов. Использовано максимально возможное количество независимых опытных данных, полученных разными авторами в различных регионах. Эти данные дополнены результатами собственных экспериментальных исследований.

Показано, что комплексным исходным показателем свойств связного грунта, который определяется просто и быстро, может служить быстрота его размокания. Она зависит от плотности, влажности, гранулометрического состава, пластичности, содержания и типа солей, количества и состояния коллоидов, водостойкости структурных связей, и, следовательно, комплексно отражает все эти свойства. Исследовано влияние различных факторов (температура и химический состав воды, размеры образцов, естественная неоднородность грунтов, продолжительность опыта) на результаты определений, и предложена усовершенствованная методика опытного определения быстроты размокания грунтов. Предложено однозначное количественное

выражение быстроты размокания грунта - коэффициент быстрот размокания; получены формулы для его расчёта по результате опытов.

6. Выявлены и исследованы взаимосвязи быстроты размокания с другии

свойствами (гранулометрический состав, пластичность, удельш сцепление, внутреннее трение, деформируемость, водопроницаемост связных грунтов. Эти впервые выявленные закономерное соответствуют физической сущности рассматриваемых процессов, подтверждают, что коэффициент быстроты размокания может служи первичным показателем свойств связного грунта и использоваться д) прогноза его размываемости.

7. Анализ формул, описывающих процесс размыва потоком земляного русл

показал, что размыв связного грунта возможен лишь поа освобождения его частиц от связей, т.е. после размокания.

8. Выявлено, что допускаемые неразмывающие скорости течения воды flj

связных грунтов связаны с коэффициентами быстроты размокания эт грунтов логарифмическим законом при коэффициенте корреляции 0,74 0,83. Предложены расчётные формулы. Выполнены примеры расчёте подтверждена достаточная достоверность и точность предлагаемо нового метода.

9. Предложен новый ускоренный метод прямого опытного определен

допускаемой неразмывающей грунт скорости с использованием новс портативного малогабаритного устройства.

10. Предлагаемая новая методика определения размываемости грунт экономичнее применяемых в 23 - 45 раз.

11. Результаты исследований составили основу 6 авторских свидетельств патентов на изобретения и использованы в утверждённ Рекомендациях «Конструкции и расчёты ГТС на просадочных грунтах» также при проектировании защитных дамб Тенгизского и Эмбинскс нефтяных месторождений на побережье Каспийского моря, и верхн плотины на р. Кебир в Сирии, причём отмечено многократное снижен трудоёмкости и длительности определений свойств грунтов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

автора:

Способ определения гранулометрического состава неводонасыщенных

дисперсных грунтов. - АС №1693201, Б.И. №43,1991. (в соавторстве).

Дамба. - АС №1645344. - Б.И. №16, 1991. (в соавторстве).

Способ определения пластичности неводонасыщенных дисперсных

грунтов. - АС №1739289, Б.И №21, 1992. (в соавторстве).

Гибкая гидротехническая труба и способ её строительства. - Патент РФ

№2029012, Бюл. №5, 20.02.1995. (в соавторстве).

Устройство для определения допускаемой неразмывающей скорости

водного потока для грунта. - Патент РФ №2033491, Бюл. №5,

20.02.1996. (в соавторстве).

Способ определения характеристик свойств грунтов. - Патент РФ №2054501, Бюл. №5, 20.02.1996. (в соавторстве). Экспрессная оценка свойств связного грунта. - М.: Сельское строительство, 1999, №2. -с.34.

Новый метод экспрессной оценки комплекса свойств связного грунта. -Материалы Н.-Т. Конференции «Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации». - М.: МГУП, 1999. Новая методика определения размываемости грунтов. - Материалы Н,-Т. Конференции «Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации». - М.: МГУП, 1999.-c.118, 119. Методика определения размываемости грунтов. - М.: Сельское сторительство, 1999, №4. - с. 37.

Компактные приборы для определения допускаемых неразмывающих скоростей течения воды. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», журн. «Вопросы мелиорации», №3-4, 1999. - с. 67...71 (в соавторстве). Новый метод определения размываемости связных грунтов. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», журн. «Вопросы мелиорации», №3-4, 1999. - с. 97...101 (в соавторстве).

Методика прямого определения допускаемых неразмывающих донных скоростей. - журн. «ГиДротехническое строительство», 2000 г., N91, - с. »4-45.

Новый метод экспрессной оценки комплекса свойств связного грунта. -л'рн. «Гидротехническое строительство», 2000 г., N95.