Реологические и электрокинетические свойства глинистых грунтов и их связь с оползневыми процессами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

шсюшсккй ордш трудового красного sk^iehh !иненерй0-с2?0!1тьж-тш lihcïlix^x ьив.вдс7ш?ж1

lia Пр£12*_&: pyiconncii

ВЕСЙЗЛЕБ 1лп::;с Tyr^oc""

УДК 624;131

ейшоикеше и аяысгрошшйпгЕсоз с-еоПстза

глинистых ГРУЯТ05 и 1ÎX связь g соолсшйш! DFOE-mva

01.02.07 « Кехахшка сиаутрз: «л» г^угяоз :г гор:г^: пород

ABTOïïiSPAT . дкссгртащк на сспсгспгаз ученой с;спс*гл

ïîoc-îtca - IS92

Работа выполнена на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов ШСИ им.В.В.Куйбышева и в отделе исследований грунтовых и подземных сооружений к технологии их возведения НИИ энергетических сооружений (НИИЭС', ассоциация "Гидропроект") Минтопэнерго Российской Федерации

Научный руководитель: Лауреат Государственной премии,

доктор технических наук, профессор Зарзцкий Ю К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Дидух Б.И.; доктор геолого-минералогических наук, доцент Королев В.А.

Ведущая организация: Проектно-конструкторское и

изыскательское отделение института "Атомзнсргопроект".

Защита состоится "5 " ЖСХ§1 1992 г. в__час. на заседании специализированного совета Д 053.11.05 при Московском инженерно-строительном институте им.В.В.Куйбышева по адресу: Ыосква, ул.Спартаковская, д.2, ауд. _.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просш Вас принять участие в защите и направить Вал отзыв на автореферат в 2-х экз., подписанной и заверенный печатью, по адресу: 129337, 1чосква, Ярославское шоссе, д.26, ШСИ им.В.В.Куй-билева, Ученый Совет.

А.Л.Крькановсиий

СУДаШТСРНГ^Й 51Е.

л ■ : •

• ГЛЗГ. ¡.иссорт^циь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В связи со строительством крупных промышленных я гидротехнических сооружений, особегао в геологических районах с горноскладчатыми образованиями, все более возрастает потребность в освоении естественных склонов равнинных и предгорных территорий. Кроме того, специфика работы некоторых сооружений, в частности ГАЭС, требующая значительных перепадов высот между верхним и нижним бассейнами, делает склоны единственно возможным местом расположения Г АХ в равнинных условиях.

В таких случаях основаниями крупных промышленных и гидротехнических сооружений служат, как правило, естественные склоны со сложным инженерно-геологическим строением и гидрогеологически-ыи условиями, в том числе при наличии в их толще глинистых пород, обладающих выраженными реологическими свойствами. При длительном воздействии статических и динамических нагрузок в периоды возведения и эксплуатации сооружения в результате техногенных воздействий на склон (пригрузка верхней части склона или подрезка его снизу) при изменении гидрогеологических и других условий могут возникать подвижки склонов, развивающиеся во времени.

В связи с этим' большое практсгсескоэ значение имеет дальней-кее развитие и совергзнствовакяе методов исследования напряженно-деформированного состояния склонов, оценки кх длительной устойчивости и колотзстсекного прогнозирования их деформируемости.

Для прогноза устойчивости и длительных перемещений склонов необходимы оценка пх пргфодного состоятся и прогноз изменения флзико-нехнничеекзк свойств пород в естественном залегании по

донным экспериментальных и расчетно-теоретических исследований, а также натурных наблюдений.

Диссертационная работа выполнена в ранках важнейшей тематики по проблеме 0.55.00 на 1986-1990 г. (задание 04.01.01, этап III "Разработать методы оценки деформации склонов в районе строительства Г АЭС и инзсенорные мероприятия по обеспечению их устойчивости") .

Цель диссертационной работ. Основной целью диссертационно!! работы являлось установление закономерностей реологических и зле-ктрокинетических свойств глинистых грунтов для оценки состояния склонов, подверженных оползнеЕШ процесса:.;, вследствие техногенных воздействия, при этой ставились еледукцие осковниэ задачи:

1. Провести коаядекснье испытания на сдвиг (кручение) образцов глинистых грунтов нарушенной и природной структуры в рз-лаксациошо-шнеиатипеско:.: penuaia и ка основе результатов этих испытаний разработать кзтодику ускоренного определения реологических свойств грунтов.

2. Усовершенствовать суцествукзщй прибор среза НКСа Гидро-проектг (сейчас НЙЙЭС) к изготовить сдецкадьнио приборы для испытаний образцов глинистых грунтов в рел:цссздиош;о-1ашз:.:атицее-коц резкие, а танке устройства для подготовки образцов к испытаниям.

3. Исследовать влля^кэ рзакаа погружения и реологических свойств глинистых грунтов па их напракекно-дефоргазрованнов состояние и выявить закономерности изменения прочности грунта нарушенной и прнродаой структуры во врзыеш.

4. Разработать нетодику и выполнить экспериментальные ис-

следования свойств естественного электическсго поля глинистых грунтов при сдвиге.

5. Обосновать возможность применения метода естественного, электрического поля (ЕЭП) для оценки изменений напрязегао-дефор-1глрованного состояния массива грунта при воздействии различных техногенных факторов.

6. Ка основании анализа результатов натурных и лабораторных исследований потенциалов ЕЭП и реологических свойств грунтов выполнить оценку состояния оползневого склона на Загорской ГАЭС.

Научная новизна работы.

1. На основании результатов испытаний в релаксационно-кине-маткческом режгае разработана методика ускоренного определения реологических свойств глинистых грунтов при сдвиге, позволяющая значительно сократить количество и продолжительность испытаний.

2. Определены закономерности изменения прочности глинистых грунтов в процессе их дефэртарования и з занвискмости от характеристик начального состояния.

3. Разработана новая методика экспериментального определения потенциала естественного электрического поля глинистых грунтов при сдвиге, позволявшая интерпретировать дшшыэ натурных измерений естественного электрического поля массива грунта.

4. Проведены исследования электрокшетичеекпх свойств глинистых грунтов н установлены закономерности изменения потенциала естественного электрического ноля грунта от шлрг™ешю-дсфорп:-ропшшого состояния массива.

Практттаоскса значение работ!! и эа пнодрЗ)яэ. Устснозленние закономерности реологически: и злгктрокннетичзскнх свойств г.г/.нк-

стых грунтов в связи с ололзневкш процессами позволяют интерпретировать данные наяурных наблюдений и дать оценку н прогноз состояния оползневого склона.

Результате диссертационной работы использовались в НКСе Гкдропроекта при оценке длительной устойчивости ««она в основании напоршх трубопроводов и огравдажцих дамб верхнего бассейна Загорской ГАЭС, при оценке длительной устойчивости подземного комплекса гидроузла Терн (Индия), а также при расчетах и проектирования природоохранительных дамб Тенгязского газокондвнсатно-го месторождения в Казахстане.

Апробация диссертации и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на У1 Всесоюзном симпозиуме по реологии грунтов (Рига, 1539 г.), Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по механике грунтов и фундаыенгостроению (Звенигород, 1989 г.), Молодежных научно-технических конференциях НИСа Гидропроекта (Москва, 1989 и 1991 гг.), ХУШ Есесоюзной молодеаной научно-техгогческай конференции В/О Тидропроэкт" (Канеа , 1991 г.), Региональной научно-методоло-гнчсской конференции (Каратзу, 1991 г.),'научном соЕете отдела исследований грунтопых к подземных сооружений и технологии их возведение НИИ Гидропроекта (Москва, 1991 г.) и кафедре механики грунтов, оснований п фундаментов МИСИ кн.В.В.КуЙбиьеза (Москва, 1991 г.).

Основные результат« диссертационной работ опубликованы е 5 печ&тннк работе.

Объем -работы. Дксеертацзя состоит из введзнея, четырех глап, общих с;йодов, списка кспользуепой литературы из 155 нши.э~ ковший и шиочает.210 страниц, из них 146 страниц машинописного текста, 61 глшострацзи и 3 таблиц.

На защиту выносятся следуаскэ положения:

1. Методика и результаты комплексных экспериментальных исследований прочности и деформируемости глинистнх грунтов нарушенной и природной структуры ка сдбиг при кручении в релаксацлочно-кинематическсм режиме.

2. Методика и результаты экспериментальных исследований потенциала естественного электрического поля глинистых грунтов при сдвиге, позволяйте интерпретировать данные натурных наблюдений.

3. Результаты анализа данных лабораторных исследований реологических к электрокинетнческих свойств глшистых грунтов для оценки состояния оползневого склона на Загорской ГАЭС.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введешт обоснована актуальность те?.и работы, с$ор;{уля-ровакы цель я задачи исследований, определены научная и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приводится обзор современного состояния экспериментальных и теоретически исследований оползневых процессов и длительной прочности и ползучести глинистых грунтов при сдвиге. Анализируются результаты исследований , связанных с изучением естественного электрического поля в глинистых грунтах и приводятся пршера использования иетода естественного электрического поля для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород и оползневых склонов.

Исследования Н.Н.Маслова, В.В.Кштцеля, К.А.Гулакяна, Е.П.Емельяновой, Г.С.Золотарева, И.О.Тихвинского, §.П.Савьрен-ского, Г.И.Тер-Степаняна, З.Г.Тер-Мартиросяна, Л.Я.Туровской, Н.П.Богословского, М.Н.Гольдитейна, К.Терцаги, А.Скемптсна,

А.Бишопа, Д.Варнса, Р.Хефели, Л.Шукле и других показывает, что изучение таких сложных геологических явлений, как оползни, связано с их классификацией по различным признакам, необходима! для обнаружения, контроля, стабилизации оползней. В качестве критериев для определения и классификации оползневых процессов большинство авторов принимает тип движения, состав пород, скорость движения, морфологию участка накоплений, возраст, причины, степень нарушенности смещенных масс, положение поверхности смещения и т.д.

Анализ материалов по оползняи показывают, что 70ч60/£ выявленных оползневых проявлений представляют собой оползни сдвига, наиболее распространенные в равнинно-платформенных условиях. Изучая механизм оползневого сдвига, многие авторы выделяют совокупность естественных и антропогенных факторов, под воздействием которых происходит нарушение устойчивости оползневого склона. При этом отмечается, что одним из основных факторов оползневых процессов является снижение сопротивления сдБигу пород за счет их реологических свойств. В работах Н.НЛЛаслова, С.С.Вялова, М.Н.Гольдштейна, Н.А.Иутовича, З.Г.Тер-Мартиросяна, О.К.Зарецко-го и других подчеркивается, что Еопросы устойчивости склонов нельзя рассматривать вне времени и без учета реологических свойств грунтов.

Большой вклад в изучение реологических свойств глинистых грунтов внесли работы А.Я.Будина, С.С.Вялова, А.Л.Гольдина, Ы.Н.Гольдатейна, Ю.К.Зарецкого, З.М.Карауловой, А.Л.Крыкановско-го, Г.Ы.Доыкзе , Ы.В.Малкаева, Н.Н.Маслова, С.Р.Месчяна, Г.И.Тер-Степаняна, З.Г.Тер-Мартиросяна, А.Й.'Гуровской, С.Б.Ухова,

В.А.Флорина, Н.А.Цытовича, А.БиЕопа, Л.Бьерруна, А.Скемптона, Л.Шукле и других.

В исследованиях, связанных с изучением физической природы деформируемоста глинистых грунтов во времени, С.С.Вялов, С.С.Бабицкая, М.Н.Гольдктейн, Ю.К.Зарецкий, Н.Н.Маслов, Р.В.Максимах, В.И.Осипов, Н.К.Пекарская, А.Я.Туровская показали, что в развитии ползучести существенную роль играет исходная структура грунта и ее перестройка в процессе деформирования. Отмечается, что одной из важнейших характеристик глинистых грунтов являются структурные связи, которые формируют прочность грунтов.

Дан краткий обзор теорий ползучести. Рассматривается два направления в изучении развития деформации во времени: феноменологическое и физико-техническое. Существенный вклад в развитии феноменологического направления теорий ползучести внесли работы Н.Н.Маслова, Н.Х.Арутвняна, С.С.ВялоБа, Ю.К.Зарецкого, В.А.Фло-ркна, М.Н.Гольдштейна, А.Л.Гольдина, С.Р.Месчяна. Так, Н.Н.Маслов предло,-хкл"физико-техничес1суюя теория ползучести, пироко при-меняе:.!уп при решении инженерных задач. С.С.Вялов, Ю.К.Зарецкий и Р.В.Макс:р!.тк, используя теор:та скоростей Эйринга, разработали "кинетическую" теории прочности грунт о з и ползучести глинистых грунтов. С использованием различных моделей грунтов Н. Н. Масло вы-1, З.Г.Тер-Мартиросяном, А.С.Строгановым, Б.И.Дидухом я другими на основе теории пластического течения рассмотрены задачи напряяен-но-дефортгровянного состояния слоя грунта, расположенного на наклонной поверхности.

Анализируется различные модели грунта и отмечается, что для описзки длительной ползучести глинистых грунтов наиболее

применима математическая модель вязко-пластического течения с упрочнением, детально разработанная Ю.К.Зарецкик. Входящие в математическую модель грунта функции упрочнения определяются по данным испытаний в условиях осесимыетричного напряженного или плоского деформированного состояния. Анализируются также экспе-'риментаяьные данные о влиянии режима кагружения на прочностные и деформационные свойства глинистых грунтов, при этом отмечается зависимость деформаций глинистых грунтов и прочностных параметров от режима нагрукения.

Дается физическое объяснение механизма возникновения двойного электрического поля в глинистых породах. Приводится обзор исследований деойного электрического слоя и электрокинетических явлений в капиллярных системах. Существенный вклад в развитие теория двойного электрического слоя внесли работы Г.Гельмгольца, Ж.Перрена, Г.Фрейндлиха, О.Штерна, Г.Гуи, Д.Чепкена и других. Отмечается значение работ Д.А.Фридрихсберга, М.П.Сидоровой, С.С.Духина, О.Н.Григорова, Р.И.Злочевской, В.А.Королева, О.Л.Алексеева, Г.П.Алексеенко в исследовании электрокинетических и олект-роповерхностных явлений в глшшстнх грунтах. Показано, что более глубокое изучение элехтрокикеткческих и эдектроповархностных свойств дисперсных систем имеет ватаое научное и практическое значение для интерпретации данных натурных исследований напрд^енно-дефор:.шровакиого состояния массива пород иетодами электрометрии. Использование естественного слектркчсского поля грунтов в разведочной, геофизике при поисках ¡¿естороздошй полезных ископаемая, контроле напртаенно-деформкроЕа1Шого состоглия горнах пород и оползневых склонов известно из работ Б.Ю.Вендельштейна, A.C.Се-

менова, В.М.Добрынина, Я.Р.Морозова, А.А.Огильви, Ю.М.Платонова и других.

В целом из проведенного анализа состояния вопроса копию сделать вывод о том, что наиболее перспективными для прогноза деформации ползучести являются математические модели, основанные на теории вязко-пластического деформирования грунтов.В связи с этим актуальна разработка метода определения расчетных параметров реологических моделей грунтов, а также изучение электрокинетических свойств грунтов для интерпретации данных натурных наблюдений. Обоснованы вытекающие цели и задачи диссертационных исследований.

Во второй гласе приводятся описате экспериментальной установки, методика и результаты коотлексных экспериментальных исследований реологических свойств глинистых грунтов при сдвиге.

Экспериментальные исследования выполнены па приборе кольцевого сдвига и кручения, который позволяет создавать большие перемещения в испытываемом образце грунта и нороао моделировать динамику оползневого процесса в природных условиях. Для разработки ускоренных истодов изучения реологических свойств глинистых грунтов конструкция прибора была кодзрштзпрована и приспособлена для осуществления кинематической схемы испытаний: деформирования образца с постоянной в данном опыте скоростью и регистрации требуемух для этого усилий. Такая схс!.:а позволяет существенно ускорить испытания, а татке провести испытания ц рэиглз релаксации напряжений.

Осяогиыз испытгстя проеодкжсь па грунта: из оползневого склона участка ЗггоргкоЯ Г АЭС, сантстлс:::сс зслекоцзсткя: породах-

изучения методических вопросов дополнительно были исследованы заполнитель тектонических трещин основания гидроузла Тери (Индия) и глина Тенгиэского газоконденсатного месторождения. Характеристики физических свойств исследованных грунтов приведены в табл. I.

Дано описание методики приготовления образцов-близнецов нарушенной структуры заданной плотности-влалнссти. Для зтой цели применялся вакуумный уплотнитель (конструкции З.Г.Тер-Мартиросяна, Д.М.Ахпателова и др.), позволяющий формировать идентичные образцы глкнистого грунта заданной плотности с точность» 0,01 г/смэ. Для получения образца грунта из природного монолита использовано разработанное Б.Д.Чуыичевкл устройство для вырезания образцов кольцевого сечения заданной высоты.

Отмеченочто наиболее часто используемым методом исследования реологических свойств глинистых грунтов является испытание на ползучесть. Этот метод, хотя и позволяет определять все требуемые реологические параметры, однако очень трудоемкий и требует длительного времени. В связи с этил предпочтение было отдано методу сдвига кручением кольцевых образцов при кинематическом нагруг.ении. Такая схема нагружения позволяет существенно ускорить испытания и обеспечить высокую достоверность результатов. При этом по данным могут быть построены диагрг&йш стабилизированных деформаций, необходимые для определения расчетных параметров, характеризующих напря&енно-дефоршфовашое состояние массива грунта^

Результаты исследований прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов по кинематической и силовой схемш натру-

Таблица I

Физические характеристики исследованных грунтов

Наименование Грунтов ! * | -Р? I Р<*ч\ Р*, | ! г/см3»г/см3 ! г/см3! 1 I 1 ! ! е 1 ^ г ! в ! ! ! ! 1 ! 1 1 ~>Р I I

При естественном состоянии

Зеленые глины 0,38 1,84 1,33 2,74 1,06 0,98 0,63 0,27 0,36 0,03

Зеленые глины 0,30 1,95 1,50 2,74 0,82 0,99 0,70 0,28 0,42 0,05

Парацоновская глина 0,28 1,92 1,50 2,73 0,82 0,93 0,53 0,27 0,26 0,04

Заподш4тель тектонических трещин 0,13 2.31 2,09 2,78 0,40 0,90 0,20 0,125 0,175 0,066

Грунты нарупенной структуры

Зеленые глины 0,36 1,84 1,33 2,66 1,00 0,96 0,73 0,36 0,36 0,03

Парааоновская глина 0,28 1,92 1,50 2,74 0,83 0,93 0,51 0,30 0,21 0,00

Тенгизская глина 0,28 1,80 1,40 2,74 0,96 0,70 0,52 0,23 0,24 0,05

Заполнитель тектонических трощин 0,13 2,31 2,04 2,78 0,40 0,90 0,20 0,125 0,075 0,066

женил показывают, что сопротивление грунта при силовом нагруже-нии равно пиковой прочности при кинематическом нагружении при одинаковом времени до разрушения. Сопротивление сдвигу, опред<. • ляекое вовторными сдеигэми по силовой схеме, и минимальное сопротивление сдвигу "плашка по плашке" близки и совпадают с остаточной прочностью грунта при сдвиге,по кинематической схеме нагру-жения.

В результате испытаний парамоновской глины природной и нарушенной структуры по кинематической схеме нагружения выявлено, что пиковая прочность грунта природной структуры существенно превышает пиковую прочность грунта нарушенной структуры (рис. 1а). Причина отличия заключается в том, что в первом случае присутствует жесткая составляющая сцепления, а внутреннее трение, зависящее от текстуры грунта оказывается выше, чем для грунта нарушенной структуры. Остаточная прочность грунта природной и нарушенной структуры при этом остается одинаковой. В грунтах нарушенной структуры снижение прочности от пикового значения до остаточной происходит только за счет уменьшения сил сцепления, тогда как угол внутреннего трения грунта практически не меняется.

В целях выяснения влияния скорости деформирования на прочность и деформируемость глинистых грунтов проведены испытания по кинематической схеме нагружения при разных скоростях деформирована (рис. 16). В результате выявлено, что в исследуемом диапазоне скоростей (12,0 - 0,004 град/мин) пиковая прочность грунтов нарушенной структуры зависит от скорости деформирования и возрастает с увеличением скорости деформирования, тогда как для грунтов природной структуры такую зависимость выявить не удалось.

а) сдвиг парамоновской глины природной и нарушенной структуры;

б) влияние скорости деформирования на пиковую прочность "зеленых глин" нарушенной структуры.

1 - пиковая прочность грунта природной структуры;

2 - пиковая прочность грунта нарушенной структуры;

3 - остаточная псочнооть грунта природной и нару-

шенной структуры.

Экспериментальные точки: о - 12,0 град/мил; А - 2,33 грац/мяя; ш - 0,105 град/мин:

Показано, что при изменении скорости деформирования величина пиковой прочности меняется только за счет сил сцепления, а угол внутреннего трения остается практически неизменны!.:. При этом остаточная прочность грунта не зависит от скорости деформирования и является одинаковой для данного вида грунта.

Результаты исследований механизма деформирования глинистого грунта показали, что до достижения пнковой прочности образец деформируется по высоте как единое целое. При достижении пиковой прочности зона сдвига постепенно локализуется и дальнейшее смещение грунта происходит по поверхности сколькения. Следует отметить, что пиковым напряжениям, зафиксированном при существенно различных отрезках времени (в зависимости от скорости деформирования) , соответствует примерно одинаковая деформация сдвига, которая не зависит от скорости деформирования. При этом установлено, что независимо от состояния образца (структуры грунта) и величины нормального напряжения поверхность скольжения при сдвиге начинает форзафоваться'при достижении критической деформации. Таким образ о;, подтверждается вывод С.С.Вялова, Ы.Н.Гольдштейна, А.Я.Туровской и других авторов о существовании критической деформации, отвечающей моменту максимальной мобилизации внутренних сил грунта и не зависящей от скорости деформироввния.

Испытания при разных скоростях деформирования показывают, что зависимость между величиной "пикового" напряжения и временем до его достижения достаточно хорошо описывается кривой, подобной кривой длительной прочности.

На основе анализа существующих кетодов определения реологических свойств грунтов и результатов экспериментальных исследова-

ний з НИСе Гидропроекта была разработана методика ускоренного определения реологических характеристик глинистых грунтов на основе релаксации напряжений, по сути своей близкой методике С.С.Вялова, позволяющей определять дательную прочность грунта, Сущность предложенной методики зах-точиется в испытании грунтов с режиме релаксации напряжений пр:; различных значениях деформации сдвига. Огибающая, проведенная по минимальным значениям напряжений после релаксации грунта пря данных деформациях, представляет собой диаграилу, характеризующую зависимость между напряжениями и деформациями при рзЕИОвесных состояниях грунта.

По предложенной методике стабилизированную диаграшу деформирования мсткно пелутать двумя путями: испытаниями нескольких об-разтдоп в режиме релаксации напряжений при различных значение деформации и испытаниями одного образца путем ступенчатого кинематического нагруяенкя с последующей релаксацией напряжений на каждой ступени (рис. 2).

По данным испытаний образцов грунта на релаксанта напряжений при разных значениях деформации сдвига построена диаграмма стабилизированных деформаций, необходимая для определения расчетных параметров математической модели упруго-вязко-пластпческого поведения грунта, используемой в расчетах напряженно-деформкроьгкного состояния грунтозого массива (по Ю.К.Зарецкому).

Получено два вида диягрггд.! стабилизированных деформаций сдвига (ряс. 3). Установлено, что диаграмма без пина напряжений характерна для глшгастых грунтов нарушенной структуры и для грунтов, но имеющих жестких, цементационных связей (рис. 3 а,б). Для грунтов с жесткими цементационными связями (в порвал очередь,

Рис. 2. Схемы построения диаграмм стабилизированных' деформаций грунтов:

а) семейство кривых ползучести;

б) диаграмма стабилизированных деформаций,построенная по кривым ползучести;

в) диаграмма стабилизированных деформаций, построенная по данным испытаний нескольких образцов грунта;

г) диаграмма стабилизированных деформаций, построенная по данным испытаний одного образца при ступенчатом кинематическом яагружении с последующей релаксацией.

аг

0,1

Л <5* *0,5МПа

дуГ [ 1 1 1 | 1 1 1 ~ *-ей*

4 мЛа

0,1

0,1

ОЛ

<Н

Т,мПс

о)

¿у мм

А 1' ~~ Г ' У "**"" ¿•0,2 МЛ а #-о*-

ф

е,мм

г

6)

1 2 10 го он ьовй щ т зоо шл

■ .., с, мм

Рис. 3. диаграммы наполнений (I и 2) -и стабилизированных дефожаций С1Г и 20:

а) для ^зеленых. глкн" нарушенной структуры (2);

б) для заполнителя тектонических трепля природной стоуктуры(1);

в) для пасаконозской глины природной (I) и нарушенной струк-тусы (2):

Зхспесп'.сентальные течки: о - 0,105 гоад/кия.; Д- 12,0 гоад/мин.

природной структуры) дааграгша стабилизированных деформаций характеризуется наличием пика (рис. 3 в), при этом деформация, соответствующая этому пику, равна критической деформации данного грунта.

Экспериментально установлено, что для грунтов нарушенной структуры и для грунтов природной структуры, не имеющих жестких цементационных связей, асимптота диаграмм стабилизованных деформаций сдвига соответствует пределу длительной прочности грунта, определяемому испытаниями на ползучесть (рис. 3 а, б).

Предел длительной прочности грунта природной структуры, определяемый по диаграмме стабилизированных деформаций, существенно превышает предел длительной прочности грунта нарушенной структуры, что обусловливается различием в значениях весткой составляющей сцепления.

Результаты испытаний глинистых грунтов при разных скоростях деформирования с последующей релаксацией напряжения показывает, что независимо от скорости погружения напряжения сдвига релахсирувт до одного и того ке предела. Следовательно маяно сделать вывод о том, что диагража стабилизированных деформаций характеризует равновесное состояние грудаа.

По результатам экспериментальных исследований "зеленых глин" нарушенной структура и парамоновской глины природной и нарушенной структуры были определены параметры математической модели вязко-атасткческого деформирования грунтов, использованные В.Н.Воробьевым для прогноза деформации ползучести оползневого склона Загорской ГАЭС.

Для применения этой иодели в расчетах необходимо вначале по-

строить кривую длительней прочности грунта, т.е. зависимость '¿йод (6» 11 затек определить аункции упрочнения $(<¿¿/03*),Р(и)/

V"((¿¿/СО?) по стабилизированным значениям ьязкопласти-ческих дефор?^аций при напряжениях коэффициент вязко-

пластичности , критерий стабилизации вязкопластических деформаций , значения напркнений &отР , модули упругости 0.х и К^ и параметры начальной поверхности нагруяения % , Чо , С0

Кривую длительной прочности грунтов нсюто построить по следующей зависимости, предложенной Ю.К.Зарецкки:

Г = Т0-(гс0-, ш

Ч + ±Р/ТР

где ¿о - мгновенная прочность; ^Гоо - предел длительной прочности;

Ь-р - время до разрушения грунта при действующем уровне касательных напряжений; Тр - постоянный для данного грунта параметр (кме-ет размерность времени).

При отсм мгновенная прочность грунта сЬа определяется нз диаграмм сдвига по кинематической схеме нагрукения (рис. I), а предел длительной прочности Тм - из диаграмм стабилизированных деформаций (рис. 3 в). В случае оценки оползневых процессов или длительного скещензш склонов вместо ¿-оо следует использовать остаточ-нухз прочность грунта ^т. (рис. 3 а, б). Параметр Тр = 20 лет определен на основании дшшых А.Скзмптона.

Все параметры функций упрочнения '"Г(^¡-/ий), определены по стабилизированиям диаграмлам дефоротро-вания (рис. 3) по методике Ю.К.Зарецкого и В.Н.Локбардо. Критическая деформация , определяемая из зависимости ^С^, Ь) для "зеленых" и парамоиовской глин составляет примерно 0,25. Коэффици-

ент вязколластичности и модули упругости могут быть определены путем обратных расчетов на основе сформулированной модели грунта из условия близости экспериментальных и расчетных диаграмм релаксации. Параметры начальной поверхности нагружения , Со также мо-

гут быть подобраны путем обратных численных расчетов из условия близости экспериментальных и расчетных начальных участков диаграмм деформирования (расчеты В.Н.Воробьева).

В третьей главе приводятся физические предпосылки применения метода естественного электрического поля (ЕЭП) для исследования на-прженно-деформмрованного состояния массива грунта, а также дако описание, выполненных лабораторных экспериментальных исследований, методики их выполнения и полученных результатов.

Ранее натурные исследования разных авторов позволили выявить качественную зависимость ыевду интенсивностью оползневых перемещений и изменение« ЕЭП поля грунта склона. Для интерпретации данных натурных исследований и выяыгенкя закономерностей изменегаш напряженно-деформированного состояния породы и ЕЭП грунта была выполнена серия лйборатор!2лс экспсриазш-ои. В качестве экспериментального материала для исследования потенциалов ЕЭП использовались "зеленые глины", отобршншз из зоны сползкзеого перетирания пород основания Загорской Г АЭС.

Для изучешм еяектрокинетпческнх свойств глинистых грунтов принят прибор кручения, изготовленный пз неполяр!1эукдихся катерка-лов и приспособленный для регистрами потенциалов ЕЭП образцов исследованных глшжстю: грунтов. Методика регистрации потенциалов ЕЭП разработана А.Б.Пономаревым для изучения ЕЭП горны;: пород. Потенциал ЕЭП измерялся как разность потенциалов иекду двумя хлорсеребря-

ними электродами, помещенными по обе стороны образца глины.

На основе результатов лабораторных исследований разработана методика регистрации потенциалов ЕЭП в образце при сдьиге, позволяющая определять изменение ЕЭП глинистых грунтов при деформироза-

Ш1И.

Экспериментально установлена связь между изменением напряженно-деформированного состояния образца и изменением потенциала ЕЗП. Получека зависимость изменения потенциалов ЕЭП глшшсмс грунтоэ от напряжений и деформации сдьига. .

Опыты показали, что с приближением деформации сдвига образца к критическому значению интенсивность изменения потенциала ЕЭП увеличивается. Пик напряжения и пик изменения потенциала ЕЭП совпадают и соответствуют началу разрушения грунта.

Полученные результаты подтверждают имеющуюся гипотезу о связи изменения потенциала ЕЭП грунта с нарушением электростатического равновесия зарядов двойного электрического слоя (ДЭС) образца. В процессе дефоряирования грунта при сотносительном перемещен:!!! фаз происходит подкюта зарядов диффузионного слоя ДЗС, что приводит к возникновению разности электрических потенциалов.

Эксперименты показали, что измгяенйо потенциалов ЕЭП отражают физические процессы, 'связисте с пэрзстройкой гахфосяруотурц грунта при его дсЗормированпл.

В чзтгеогой главе излагается етализ даягах натурных наблюдений н дабор&тсрюх исследований реологических и электроккнетпческих спойсгв грунтов оползмзвого «слона Загорской ГАЗС. На основе данных лабораторных, расчзтгю-теоретпчэских и натур:-пк исследований пиопе-дсна оценка состояния ополэпзвого склока.

По результатам топогеодезических измерений и натурных наблюдений методом регистрации потенциала ЕЭП, лодтверзденным расчетами налрк^енно-дефэрмкроваы-юго состояния склона методом конечных элементов установлено, что основной деформируемый горизонт оползневого склона приурочен к сантонсккм зеленоцветным породи,1, содержащим прослойкой пластических глин.

Сопоставление данных натурных наблюдений потенциалов ЕЭП с геодезическими измерениями показывает, что метод ЕЭП является более результативным, т.к. потенциалы ЕЭП хороао реагирует на процессы перераспределения напряжений в породе. Наблюдавшееся вначале увеличение интенсивности изменения потенциалов ЕЗП на оползневом склоне Загорской ГАЭС после заполнения верхнего бассейна явилось следствием активизации оползневых процессов, а последующая относительная стабилизация потенциалов ЕЭП была связана со стабилизацией смещений оползневого блока на склоне (рис. 4).

Анализ и сопоставление данных натурных наблюдений и результатов расчетных исследований, выполненных Б.Н.Воробьевым, подтверждает, что склон, лелякцкйся основанием сооружений Загорской ГАЭС, находился в состоянии предельного равновесия, т.е. был потенциально неустойчивым, что привело к развитию оползневых процессов под воздействием техногенных факторов при строительстве ГАЭС. За счет осуществления комплекса противооползневых мероприятий смещение склона было приостановлено.

Такшл образом, проектирование основных соорукений, а также выбор к проектирование противооползневых мероприятий долнно осуществляться с учетом прогноза изменения напрякенно-дефорглированного состояния пассива склона во времен:«,

>Ь(1 'Чт 150 100 50 с -55 '•о----< .....О--« ..о.....с о-< 7,.( 7Г ,с ...О--..с с ""о0 0 0., _ ' 'с

%} 1 [О— ----

с— •165 i .-—с 0

1,, , - а III У Я т а 2 '" гГ "' ■■ 12

Рис. 4. Графики результатов натурных наблюдений на ододзневом склоне Загорской ГА 1С (данные Гвдропроекта за 1983 г.). 1 - потенциалы 1311 (+11 ) в "зеленых глинах", глубина 24-25 м. П - потенциалы .¡ЭП (+У ) в коронных суглинках, глубина 11-12 м. Ш - суммарное с лощение ( 3 ) по обратному отвесу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Еыполкен комплекс испытаний ряда глинистых грунтов и по результатам этих испытаний установлено, что пиковая прочность глинистых грунтов природной структуры существенно превышает пиковую прочность грунтов нарушенной структуры. Это определяется наличием жесткой составлдащей сцепления и повышенным углом внутреннего трения грунта природной структуры. Остаточная прочность грунтов природной и нарупекной структуры одинакова и соответствует сопротивлению при сдвиге "плашки по плшакэ" и нз зависит от скорости деформирования.

Уст словлено, что критическая деформация сдвига глинистых грунтов прфодной и нарушенной структуры одинакова к равна деформации, при которой ползучесть грунтов переходит в прогрессирующую стадию. Выявлено, что величина критической деформации глинистых грунтов не зависит от скорости деформкрогания и от значения уплотняющего давления.

2. Разработана методика исследований реологических свойств глинистых грунтов и построены диаграммы стабилизированных деформаций сдвига. Установлено, что диаграмма без пика напряжений характерна для глинистых грунтов, не кдездцих гестлк цементационных связей. Для грунтов с такими связями (в первую очередь природной структуры) диаграмма стабилизированных деформаций характеризуется наличием пика, при этом деформация, соответствующая этому пику.равна критической деформация данного грунта.

Экспериментально установлено, что для грунтов нарушенной струк» туры аскмптота диаграмм сгабнлиэиров£нньк деформаций сдвига соответствует пределу длительной прочности грунта, определяемой испытани-ш на ползучесть.

Предел длительной прочности грунта природной структуры, определявший по диаграю-те стабилизированных деформаций, существенно прерывает предел длительной прочности грунта нарушенной структуры, что обусловливается различием з значенштх жесткой составляющей сцепления.

3. Разработана методика регистрации потенциалов естественного электрического поля (ЕЭП) грунта и установлена связь мекду изменением напряяенно-дефор.з!рованного состояния гранта и изменением потенциалов ЕЭП. Построены графические зависимости изменений потенциалов ЕЗП глинистых грунтов от напряжений и деформаций сдвига.

Установлено, что изменение потенциалов ЕЭП в результате нарушения электрического равновесия зарядов двойного электрического с слоя грунта связано с перестройкой структуры грунта в процессе деформирования ,

4. Выполнен сопоставительный анализ топогеодезических и геофизических данных натурных наблюдений за состоянием склона Загорской ГАЗС и результатов расчета напряженно-деформированного состояния склона. Установлено, что имеется прямая зависимость измеренных величин потенциалов ЕЭП от изменения нзпрлженно-дефор?гарованного состояния склона. При этом ощутимые- изменения потенциалов ЕЭП опережают измеренные подвижки, что поззоляет использовать метод ЕЭП для контроля оползневых подвгаея грунтовых склонов.

Прогноз изменения напряяенко-дефэрмярованного состояния склона по времени показывает, что длительная устойчивость склона, являющегося основанием сооружений Загорской ГАЗС, обеспечивается после реализации строительных и эясплуаталпонкых протпвооползкзма мероприятий, осуществленных на ГАЗС.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чумичев Б.Д., Бесимбаев Е.Т. Длительная прочность глинистых грунтов. Сборник докладов У1 Всесоюзного симпозиума по реологии грунтов, ч.П. //ЗНТ0 Латвии, Рига, 1989.

2. Бесимбаев Е.Т. Изучение электрического потенциала з глинистых грунтах. Тезисы докладов региональной научно-методччзской конференции. //Филиал КазПТИ, Каратау, 1991, с.231.

3. Чукичев Б.Д., Бесимбаев Е.Т. Исследование релаксации касательных напрягений в глинистых грунтах. Тезисы докладов региональной научно-мзтодичзской конференции. Филиал КазПТИ, Карат'ау,

1991, с.112.

4. Бесимбаев Е.Т. Изучение потенциала естественного электрического поля в глинистых грунтах Загорской ГАЭС. Тезисы докладов ХУШ Всесоюзной ыолодегмой научко-тохнической конференции В/О Тидропроект", Кенав, 1991, с.

5. Бесимбаев Е.Т. Исследование прочностных характеристик глинистых грунтов.' Сборник научных трудов Гидропроокта, сьи.154,

1992, с.

Подп. к псч. 27.03,92 г. Заказ 38 Тираж 100

ВННПИ труда б строяюльстм