Совершенствование конструкций и методов расчета противофильтрационных устройств инженерных сооружений мелиоративных систем для условий Республики Беларусь тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Боровиков Алексей Александрович

• Боровиков Алексей Александрович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Боровиков Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ НА СООРУЖЕНИЯХ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

1.1 Общие сведения о мелиорации грунтов

1.2 Водно-физические свойства песчаных грунтов (почв)

1.3 Общие сведения о противофильтрационных устройствах и материалах

для их изготовления

1.4 Оценка фильтрационных деформаций противофильтрационных преград из нетвердеющих заполнителей

2 ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

3 СВОЙСТВА ИССЛЕДОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Обоснование рабочей гипотезы

3.2 Общая характеристика местных материалов для устройства противофильтрационных преград способом «стена в грунте»

3.3 Характеристика исследованных видов песков, сапропелей и их смесей

3.4 Расчет показателей физических свойств сапропелей

3.5 Расчет содержания компонентов в сапропеле и песчано-

сапропелевой смеси

3.5.1 Расчет содержания компонентов в сапропеле

3.5.2 Расчет содержания компонентов в песчано-сапропелевой смеси

3.6 Влияние молекулярной влажности на геометрию частиц и пор

3.7 Расчет высоты капиллярного поднятия

4 СВОЙСТВА САПРОПЕЛЕВЫХ СУСПЕНЗИЙ, ФИЛЬТРАЦИЯ В ПЕСЧАНО-САПРОПЕЛЕВЫХ СМЕСЯХ

4.1 Результаты исследований свойств сапропелевых суспензий

4.2 Результаты исследований фильтрационных свойств песчано-сапропелевых смесей

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ САПРОПЕЛЯ

5.1 Общие сведения

5.2 Сравнение эффективности песчано-сапропелевой завесы

и железобетонной шпунтовой стенки

5.3 Расчет экономической эффективности возведения песчано-сапропелевой противофильтрационной завесы с применением сапропелевой суспензии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкций и методов расчета противофильтрационных устройств инженерных сооружений мелиоративных систем для условий Республики Беларусь»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Роль мелиорации в повышении плодородия почв обусловлена сложностью почвенно-климатических условий Республики Беларусь. Применение факторов интенсификации сельскохозяйственного производства (механизации, селекции, химизации и др.), направленных на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, в отдельных случаях невозможно без проведения мелиоративных мероприятий. Наряду с другими факторами интенсификации мелиорация наиболее полно обеспечивает необходимые водно -физические условия в почвах для получения высоких урожаев.

Ни одна мелиоративная система не обходится без водопроводящих, водопод-порных и водорегулирующих сооружений, и мы всегда будем иметь дело с фильтрацией воды в основании и (или) в теле сооружения. В случае значительной ее величины она может представлять серьезную опасность, особенно если будет сопровождаться фильтрационными деформациями грунта. Для исключения неблагоприятных последствий, а также для снижения фильтрации до безопасных пределов приходится применять различные противофильтрационные устройства.

Противофильтрационные устройства весьма разнообразны по конструкции и виду материала, из которого они выполняются. В натурных условиях они проницаемы и их проницаемость обусловлена материалом и технологией производства работ. На выбор материала противофильтрационной преграды влияют: его стоимость и наличие вблизи объекта строительства в достаточном количестве; затраты труда на устройство преграды; геологические условия на объекте; требуемые характеристики преграды.

Наиболее перспективным в мелиоративном строительстве является способ «стена в грунте». Он может быть применен в песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах при любых соотношениях плановых размеров сооружения и глубины, а также в стесненных условиях, что позволяет сократить до минимума использование под застройку сельскохозяйственных угодий. Строительство противофильтра-ционных преград при этом может производиться по различным технологиям, одна

из которых - заполнение траншеи песком, извлекаемым при ее проходке, в смеси с сапропелем в заданной пропорции, под защитой тиксотропной суспензии.

Высокая конкурентная борьба на рынках продовольствия, а также необходимость устойчивого развития аграрной экономики Республики Беларусь, гарантирующей продовольственную безопасность, повышение продуктивности и конкурентоспособности агропромышленного комплекса, требует внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий. В условиях ограниченной доступности финансовых ресурсов предпочтение следует отдавать местным материалам, способным обеспечить необходимую степень трансформации почв (грунтов) для получения наибольшего экономического эффекта. Разработка наиболее эффективных и ресурсосберегающих, а также совершенствование уже применяющихся конструкций противо-фильтрационных устройств является актуальной в современных условиях.

Степень разработанности темы исследований. Исследованиям противо-фильтрационных устройств и мероприятий на сооружениях мелиоративных систем посвящены работы ряда ученых. В трудах А. Г. Абызова, М. М. Гришина, Б. М. Дегтярева, В. Н. Жиленкова, В. С. Истоминой, М. М. Климовой, В. Н. Кондратьева, Н. Н. Круглицкого, А. Н. Мещерякова, М. В. Нестерова, Н. Г. Никольской, А. Н. Патрашева, Г. И. Покровского, Г. Х. Праведного, М. И. Смородинова, А. Л. Филахтова, Л. А. Чиглинцевой, А. А. Чураева, А. И. Чуракова и др. рассматриваются вопросы по применению данных устройств и мероприятий, выполняемых различными способами и из различных материалов. Однако имеется ряд нерешенных вопросов, связанных с применением смесей сапропеля с песком при устройстве способом «стена в грунте» противофильтрационных преград.

Целью исследований являлось совершенствование конструкций и методов расчета противофильтрационных устройств инженерных сооружений мелиоративных систем, позволяющих существенно экономить материальные ресурсы.

Задачи исследований:

- анализ применения противофильтрационных устройств на сооружениях мелиоративных систем в современных условиях и определение критериев пригод-

ности сапропелей для приготовления суспензий и смесей из песка и сапропеля используемых при строительстве противофильтрационных преград способом «стена в грунте»;

- определение зависимостей показателей свойств суспензии от концентрации в них сапропеля для прогнозирования изменения характеристик суспензии в процессе разработки траншеи при устройстве противофильтрационных преград способом «стена в грунте»;

- проведение экспериментальных исследований, определение зависимости проницаемости строительной смеси от количества сапропеля в смеси с песком и оценка устойчивости смеси к фильтрационным деформациям, совершенствование методики оценки фильтрационной устойчивости грунтов;

- разработка способа создания и конструкции противофильтрационной пес-чано-сапропелевой завесы;

- оценка экономической эффективности применения песчано-сапропелевых смесей при устройстве противофильтрационных преград способом «стена в грунте» на водорегулирующих сооружениях мелиоративных систем.

Научная новизна. Впервые обосновано влияние активных частиц органической составляющей на формирование свойств сапропелевой суспензии при выполнении противофильтрационных преград мелиоративных сооружений способом «стена в грунте». Получены зависимости для контроля значений показателей свойств суспензии с различной концентрацией сапропеля. Установлена роль проч-носвязанной активными частицами органической составляющей сапропеля воды на фильтрационную устойчивость смесей песка и сапропеля, усовершенствована методика оценки фильтрационной устойчивости грунтов, предложен способ устройства и конструкция противофильтрационной завесы. Новизна предложенных технических решений подтверждается патентом РФ на изобретение.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты выполненных исследований позволяют принимать рациональные инженерные решения по устройству относительно простых, дешевых и надежных противофильтрационных преград способом «стена в грунте». В результате теоретических и экспериментальных

исследований получены математические зависимости тиксотропных свойств сапропелевых суспензий от концентрации сапропеля в них, выявлена подчиненность закону нормального распределения полученных данных при исследовании проницаемости песчано-сапропелевых смесей, что позволило оперировать со среднеарифметическими значениями коэффициента фильтрации. Разработанная методика расчета состава сапропелей и смесей на их основе позволяет оценить возможность использования каждого конкретного вида сапропеля в качестве материала для приготовления суспензий и составляющей для устройства противофильтраци-онных завес. Предложенная оценка способности дисперсных частиц любого вида грунта связывать и удерживать вокруг себя в результате поверхностных сил определенное количество воды позволяет в расчетах фильтрационной устойчивости принимать большие значения расчетных диаметров частиц, чем принимаемые по известным методам расчета по данным гранулометрического состава. Полученные результаты развивают научные представления о возможностях использования высокозольных сапропелей при возведении противофильтрационных преград и бурении скважин.

Методология и методы исследования. Экспериментальные исследования производились общепринятыми методами. Теоретические исследования базировались на методах, включающих статистическую обработку и анализ экспериментальных данных с применением ЭВМ и программных средств.

Положения, выносимые на защиту:

- критерии пригодности сапропелей для приготовления тиксотропных суспензий;

- экспериментально обоснованные эмпирические зависимости показателей свойств суспензий из высокозольного сапропеля от концентрации;

- количественная оценка проницаемости материала противофильтрационной песчано-сапропелевой преграды и его устойчивость к фильтрационным деформациям при изменении содержания сапропеля;

- способ создания и конструкция противофильтрационной песчано-сапропе-левой завесы;

- эффективность применения песчано-сапропелевых смесей при устройстве противофильтрационных преград способом «стена в грунте» (на примере шлюза-регулятора ШР-5х2).

Степень достоверности результатов исследований. Достоверность результатов исследований и выводов подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием апробированных методик проведения лабораторных и теоретических изысканий, сходимостью теоретических и экспериментальных данных. По результатам выполненных работ получена справка о возможном практическом использовании результатов исследования при проектировании противофильтрационных устройств водоподпорных сооружений мелиоративных систем (проектно-изыскательское республиканское унитарное предприятие «Белгипроводхоз», г. Минск, Республика Беларусь).

Апробация результатов исследований. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на республиканских и международных конференциях: в Белорусской ГСХА (г. Горки, 1998-2000, 2003, 2009, 2010, 2015-2022); Витебском ГУ (г. Витебск, 1999); Рязанском ГМУ (г. Рязань, 2002, 2010); Белорусском НТУ (г. Минск, 2003); Белорусско-Российском университете (г. Могилев, 2006); Институте мелиорации (г. Минск, 2007, 2009, 2010, 2017, 2020-2022); Московском ГУП (г. Москва, 2008); Брестском ГТУ (г. Брест, 2010); Всероссийском НИИОЗ (г. Волгоград, 2022).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 47 печатных работ: в том числе 4 работы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации; 1 патент РФ на изобретение; 42 работы опубликованы в других журналах, сборниках научных трудов, материалах конференций. Объем публикаций составляет 18,4 п. л., в том числе авторских - 11,2 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 182 страницы с приложениями, включая 46 рисунков и 21 таблицу. Список литературы включает 222 источника, в том числе 30 на иностранных языках.

1 ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ НА СООРУЖЕНИЯХ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

1.1 Общие сведения о мелиорации грунтов

Как сказано в энциклопедическом справочнике: «Мелиорация (от лат. твИвтаИв - улучшение) отрасль народного хозяйства, занимающаяся коренным улучшением земель, грунтов, ландшафтов и неблагоприятных природных условий (климатических, гидрологических и т. п.) для различных хозяйственных, природоохранных и других целей. Наибольшее значение имеют сельскохозяйственные мелиорации. Мелиорация создает благоприятный водный, воздушный, пищевой и частично тепловой режимы почвы. Наиболее распространены гидротехнические мелиорации, направленные на улучшение неблагоприятного водного режима почв и территорий» [119].

И здесь стоит сделать пояснение. В почвоведении под почвой (по В. В. Докучаеву) понимается «особое самостоятельное естественно-историческое тело, представляющее собой «дневные», или наружные, горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов живых и мертвых» [144]. По В. Р. Вильямсу, почвой является рыхлый верхний слой земной коры, способный производить урожай. Наиважнейшим свойством почвы является плодородие, отличающее ее от бесплодной горной породы, т. е. способность ее удовлетворять потребности растений в воде и в элементах питания. В инженерной геологии под грунтом понимаются любые геологические образования (горные породы, минералы, почвы), если они выступают: как среда, в которой возводятся сооружения; как материал, из которого возводится сооружение; как основание, на котором возводится сооружение. Таким образом, понятие «грунт» оказывается более широким, нежели понятие «почва». Работающим в области, связанной с мелиорацией земель, приходится оперировать обоими этими

понятиями. При этом с грунтами мы имеем дело в случае строительства (эксплуатации и реконструкции) сооружений на мелиоративных системах, а с почвами - в результате воздействия на них с целью улучшения их плодородия и получения гарантированных урожаев сельскохозяйственных культур, хотя в обоих случаях речь идет об одних и тех же геологических образованиях. В дальнейшем мы будем использовать оба эти понятия для конкретизации направления.

Техническая мелиорация грунтов предусматривает искусственное улучшение физико-механических свойств грунтов в основании сооружений; «система мероприятий, направленных на борьбу с отрицательными в инженерно-геологическом отношении процессами и явлениями» [119].

Одной из важнейших задач технической мелиорации является получение из местных грунтов различного генезиса, состава и свойств материала с заданными параметрами. Это достигается в результате применения методов поверхностной и глубинной технической мелиорации.

Поверхностные методы мелиорации используются для орошения и осушения сельскохозяйственных угодий, в строительстве. К ним относятся укрепление грунтов нейтральными и вяжущими добавками, уплотнение, изменение водно-физических свойств грунтов.

Глубинные методы нашли применение для усиления оснований под сооружениями и в гидротехническом строительстве. К ним относят термическое укрепление грунтов, силикатизацию и цементацию, электроосушение и др.

В мелиоративном строительстве, при рекультивации земель, защите окружающей среды наибольший практический интерес представляют методы поверхностной технической мелиорации, при применении которых происходит нарушение естественного сложения и структуры грунта и механическое смешение его с агентами, изменяющими водно-физические свойства исходного грунта. В результате мы получаем грунт с запрограммированными свойствами, подходящий для возведения противофильтрационных устройств либо обладающий повышенной стойкостью против водной и ветровой эрозии.

Немаловажным моментом является применение экологически безопасных

агентов, обеспечивающих заданные свойства производному грунту и при этом не оказывающих негативного влияния на природу, оставаясь экономически незатратным.

Еще одним направлением является воздействие на водно-физические свойства легких по механическому составу почв (песчаных и супесчаных) с целью получения стабильных урожаев.

В южной части Республики Беларусь расположено Белорусское Полесье, являющееся частью Полесья, расположенного на территориях Беларуси, Польши, России и Украины. Данная территория характеризуется своеобразным климатом: теплая короткая зима; теплое продолжительное лето; период вегетации на 30 дней больше, чем на севере Республики Беларусь, и составляет порядка 210 дней; среднегодовое количество осадков изменяется от 555 до 660 мм [1, 26].

По характеру рельефа территория представляет собой плоскую низменность. Почвенный покров характеризуется пестротой. Основными почвообразующими породами, по данным А. Е. Волкова [120], являются флювиогляциальные отложения (пески - 32 % и супеси - 26 %). До 26 % занимают болотные образования. В основном преобладают, по данным В. И. Белковского и В. М. Горошко [11], маломощные торфяники мощностью до 1 м низинного типа.

По данным Н. М. Авраменко, начало торфообразования в Белорусском Полесье относится к периоду днепровского оледенения: «Более 90 % торфяно-болотных почв подстилаются песками и супесями» [1].

Почвам легкого механического состава свойственна высокая водопроницаемость, низкая водоудерживающая и водоподъемная способность и незначительная наименьшая влагоемкость. Для получения на таких почвах устойчивых урожаев необходимо улучшение их водных свойств.

По данным профессора С. И. Веремеенко, «Для легких почв характерен нестойкий водный режим с ежегодным снижением влажности 0...50 см слоя до уровня ВРК» - (влажности разрыва капилляров) - «и даже ВЗ» - (влажности завя-дания) [159].

Формирование урожая - сложный процесс, подверженный влиянию совокупности физиологических особенностей выращиваемых культур, природных факторов и антропогенного воздействия на окружающую среду. Оценкой влияния их на урожайность занимались многие исследователи (В. В. Гриценко, В. Е. Долгодво-ров, Е. Е. Жуковский, М. К. Каюмов, А. Н. Полевой, Р. А. Полуектов, И. С. Шатилов и др.) [85, 86, 99, 145, 154, 156, 190].

Обоснованию мероприятий по регулированию водного режима на объектах строительства, реконструкции и эксплуатации мелиоративных систем с учетом экологических и экономических требований в моделировании и прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур отводится одна из ведущих ролей. Проектами реконструкции и строительства мелиоративных систем подразумевается их функционирование в определенных климатических и гидрогеологических условиях, выполнение на них определенных мелиоративных и агротехнических мероприятий. Говоря о проектной урожайности, следует принимать ее средневзвешенную величину за проектный срок функционирования мелиоративной системы. При этом необходим учет основных влияющих факторов с их территориальной вариацией в течение всего периода вегетации.

Практика сельскохозяйственного производства определяет пять основных внешних взаимовлияющих факторов, отвечающих за нормальное развитие и рост растений: свет, тепло, питательные вещества, воздух и вода. Для получения гарантированно высоких урожаев комбинация этих факторов должна находиться в оптимальном соотношении на протяжении всех фаз вегетации. При этом регулирование одних факторов (свет) в природных условиях практически невозможно, других (тепло) возможно лишь отчасти, а третьи (питательные вещества, воздух и вода) подвержены регулированию при выполнении комплекса агротехнических и мелиоративных работ.

Уровень плодородия и интенсивность протекающих в почвах физико-химических и биологических процессов неразрывно связаны с наличием в них воды. Изучению водного режима почв посвящены работы многих авторов: С. А. Вериго, М. Г. Голченко, В. И. Желязко, А. И. Ивицкого, А. Н. Костякова, А. П. Лихацевича,

Л. О. Разумовой, А. А. Роде и многих других [79, 89, 108, 114, 115, 166].

Применение новых технологий при возделывании культур, удовлетворяющих потребности растений в жизненно необходимых природных факторах, позволяет получать неизменно высокие урожаи. Это может быть реализовано при оптимизации условий для обмена и превращения веществ в растении, начиная с фотосинтеза и заканчивая образованием плодов. Непрерывность данного процесса -одно из условий получения высоких урожаев.

Получение максимального урожая часто зависит от труднорегулируемых факторов, таких как свет и тепло, которые могут оказаться решающими [145]. Однако для почв легкого механического состава одним из ограничивающих факторов является недостаток влаги в корнеобитаемом слое вследствие неравномерности атмосферных осадков [119].

Многолетние исследования и обобщение их результатов позволили академику И. С. Шатилову [190] обосновать основные принципы программирования урожаев сельскохозяйственных культур. Одним из принципов является обеспечение растений водой в оптимальном количестве [145].

Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная влажность почвы составляет от 65 до 80 % от наименьшей влагоемкости. В условиях неорошаемого земледелия погодные условия будут отражаться на урожайности, и в первую очередь на почвах легкого механического состава. Согласно [119] по данным Н. И. Афанасьева, общий запас влаги в слое 1,5 м в почвах, развитых на супесях, подстилаемых песками, составляет от 235 до 283 мм, на легких суглинках - от 312 до 396 мм, на средних суглинках - от 476 до 520 мм, в торфяно-болотных маломощных осушаемых почвах - от 670 до 1000 мм.

Независимо от направления, для которого производится трансформация грунта (почвы), воздействие приводит к изменению его водно-физических свойств. В результате мелиорации песчаного грунта (почвы) суспензией сапропеля изменятся его гранулометрический состав, пористость, плотность, структура, коэффициент фильтрации, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная и водоудер-живающая способность.

1.2 Водно-физические свойства песчаных грунтов (почв)

Одним из значимых водно-физических свойств грунтов (почв) является гранулометрический состав. «Касаясь изучения механического состава почвы, В. Р. Вильямс писал: «Все факторы, обусловливающие плодородие почвы, проявляют свое влияние при посредстве механического состава почвы, определение которого ввиду этого должно играть немаловажную роль как в деле естественнонаучной характеристики почвы, так и при экономической ее оценке» [118].

В почвоведении классификация почвенных фракций впервые была предложена А. Аттербергом (А. АйегЬе^) на основе изучения монофракционных смесей и их физических свойств. Им было отмечено резкое изменение свойств (в частности, липкости) при уменьшении размеров частиц до 0,2; 0,02; 0,002 мм. Его шкала положена в основу современных зарубежных классификаций.

В Республике Беларусь, Российской Федерации и странах СНГ принята классификация профессора Н. А. Качинского [68]:

- камни (>3 мм) - обломки горных пород. Наличие их в почве снижает плодородие за счет уменьшения корнеобитаемого объема, ухудшает водно-физические свойства, затрудняет ее обработку, приводит к повышенному износу почвообрабатывающего оборудования;

- гравий (от 3 до 1 мм) - обломки первичных минералов. Наличие его в почве обуславливает ее малую влагоемкость и огромную водопроницаемость;

- песок (от 1,0 до 0,05 мм) - более мелкие обломки первичных минералов. Обладает более высокой влагоемкостью, однако имеет все еще высокую водопроницаемость;

- пыль (от 0,05 до 0,001 мм) - скопление обломков вторичных минералов. С увеличением степени раздробленности увеличиваются влагоемкость, пластичность, высота капиллярного поднятия, но снижается водопроницаемость;

- ил (<0,001 мм) - скопление высокодисперсных вторичных минералов при ничтожном количестве первичных (кварц и полевой шпат). В состав данной фрак-

ции входят коллоиды (<0,0001 мм), которые в почвенном растворе образуют суспензии и золи. Эта фракция является определяющей в формировании потенциального плодородия.

Кроме того, в классификации Н. А. Качинского выделяются фракции физического песка (>0,01 мм) и физической глины (<0,01 мм).

В инженерной геологии классификация фракций отличается от классификации в почвоведении. В соответствии с ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация (приложение Б2) классификация фракций следующая:

- валуны (глыбы) - >200 мм;

- галька (щебень) - от 10 до 100 мм;

- гравий (дресва) - от 2 до 10 мм;

- песчаные частицы - от 0,05 до 2,0 мм;

- пылеватые частицы - от 0,002 до 0,05 мм;

- глинистые частицы - <0,002 мм.

Для узких специалистов (почвоведов, строителей) эти различия не оказываются сколь-либо заметными, поскольку они, как правило, рассматривают геологические образования с определенной точки зрения. Специалистам в области мелиорации земель приходится иметь дело и использовать в профессиональной деятельности обе классификации.

Пористость (п) характеризует объем пор в единице объема грунта и определяется обычно по плотности частиц, плотности скелета и влажности. Точность вычисления зависит от точности определения этих величин в лаборатории. Выражается в доли единицы или процентах. Пористость также характеризуется коэффициентом пористости (е) - отношением объема пор к объему твердой части грунта. Коэффициент пористости (в доли единицы) связан с пористостью зависимостью

(1.1)

1 - п

Для лучшего понимания пористости рассмотрим существующие модели грунтов. Фиктивный грунт (корпускулярный) - физическая модель грунта, состоящего из шариков одинакового размера. Данная модель была разработана для

оценки пористости грунта. На рисунке 1.1 приведены схемы укладки шарообразных частиц от рыхлой до плотной [6].

Рисунок 1.1 - Схемы укладки частиц фиктивного грунта (по Ю. Г. Бабаскину): а - статически неустойчивая укладка (пористость - 47,64 %); б - статически устойчивая укладка (пористость - 39,54 %); в - статически устойчивая укладка (пористость - 25,95 %); г - статически устойчивая укладка (пористость - 30,02 %); д - статически устойчивая

укладка (пористость - 25,95 %)

Для каждого их перечисленных случаев укладки частиц фиктивного грунта в зависимости от комбинации контакта существует соотношение между диаметром частицы и диаметром вписанной в пространство между шарами окружности (рисунок 1.2):

- для четырехконтактной комбинации

Б/^ = 2,41; (1.2)

- для трехконтактной комбинации

= 6,46. (1.3)

Рисунок 1.2 - Соотношения между диаметром шара и диаметром цилиндрической поры

(по Ю. Г. Бабаскину)

Как отметил профессор А. Н. Семихатов: «Если бы частицы, слагающие горную породу, были бы шарами с одинаковым диаметром, то коэффициент пористости зависел бы лишь от их взаимного расположения. Величина шаров не имела бы

значения. Поэтому при наличии вышеприведенных условий коэффициент пористости грубого галечника был бы равным коэффициенту пористости мелкозернистого песка». Таким образом, разница между наиболее рыхлой и наиболее плотной укладкой составит:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Боровиков Алексей Александрович, 2022 год

// // /У

// у/ //

А у/ у /

1 у/

У у у У / / /

У / > у

—' --.—' 1 1

- д

10

15 20 25

Концентрация суспензии, %

30

35

40

ЧО

■Сапропель №1

--Сапропель №2

о

£ я

о

м о а

и рр

га

£ ч и о о

£ Я

80,0

70,0 -

60,0

50,0

40,0

30,0

20,0

\ \ \ \ \ . V ч^

N ч ч ч •V

\ \ •ч ^^^ А V

**"** ——___

"" - ~ _ 1 1

10

15

20 25 30

Концентрация суспензии, %

35

40

-Сапропель №1 --Сапропель №2

5 о

Й о и

Н

НгН

н

и

0,13

0,11

0,09

0,07

0,05

0,03

0,01

1 \

\ \ \ \ \ \

\ ч \ ^ \

\ \ \ > 1

ч ч ч \ ■х.

^ — —__,

о\

10

15

20 25 30

Концентрация суспензии, %

35

40

-Сапропель №1 --Сапропель №2

Из рисунка 4.4 видно, что для суспензий из сапропеля № 1 при концентрациях более 36 % величина суточного отстоя удовлетворяет требуемым параметрам. Для суспензий из сапропеля № 2 требуемые параметры суточного отстоя достигаются при концентрациях более 24 %.

На рисунке 4.5 приведены зависимости плотности суспензий от их концентраций. Зависимости получены с коэффициентами корреляции, равными 0,992 (сапропель № 1) и 0,988 (сапропель № 2). Анализируя зависимости, следует отметить, что суспензии сапропелей во всем диапазоне исследованных концентраций удовлетворяют требуемым параметрам по плотности. В исследованном диапазоне концентраций плотность суспензий, приготовленных из сапропеля № 1, незначительно превышает аналогичный показатель суспензий на основе сапропеля № 2. Это можно объяснить более низким содержанием органических веществ в сапропеле № 1 и, как следствие, более высокой плотностью твердых частиц, что отражается на плотности суспензии.

На рисунке 4.6 приведены графические зависимости вязкости суспензий от их концентраций. Зависимости получены по результатам обработки опытных данных с коэффициентами корреляции, равными 0,982 (сапропель № 1) и 0,979 (сапропель № 2). При повышении концентрации суспензий от 10 до 40 % вязкость возрастает с 10,5 до 23 с (сапропель № 1) и с 10,5 до 36 с (сапропель № 2), а требуемое значение вязкости находится в пределах от 15 до 50 с (см. таблицу 4.1). Суспензия из сапропеля № 1 удовлетворяет требованиям в диапазоне концентраций 19-40 %, суспензия из сапропеля № 2 - в диапазоне концентраций 16-40 %. Суспензия из сапропеля № 2 обладает большей вязкостью, что можно объяснить более высоким содержанием органического вещества, его большей активностью и, как следствие, более высокой способностью к образованию пространственных структур, препятствующих свободному истечению. При этом с повышением концентрации данный эффект проявляется в большей степени.

В таблице 4.3 приведены результаты обработки экспериментальных данных исследованных суспензий сапропеля. Анализ производился с целью подбора рецептуры суспензий, подходящих для разработки траншеи.

15

20

25 30

Концентрация суспензии, %

35

40

■Сапропель №1

-Сапропель №2

1,25

1,20

2

. о

из &

о X н о

1,15

1,10

1,05

1,00

1 ^

1 УУ1 г"

! у? 7

10

15

20 25 30

Концентрация суспензии, %

35

40

■Сапропель №1

--Сапропель №2

34

30

26

л Й

§ 22 «

СО

18

14

10

10

15

20 25 30

Концентрация суспензии, %

35

о о

40

■Сапропель №1

-Сапропель №2

Таблица 4.3 - Концентрация суспензий, удовлетворяющих требованиям

Свойства суспензий Значения при концентрации сапропеля, %

№ 1 № 2

ПСНС через 10 мин 24-33 22-32

Водоотдача за 30 мин - 30-40

Толщина глинистой корки 10-18 10-30

Стабильность - 27-40

Суточный отстой 36-40 24-40

Плотность 10-40 10-40

Условная вязкость 19-40 18-40

Водородный показатель 10-40 10-40

Содержание песка и недиспергированных частиц 10-29 10-31

Анализируя данные таблицы 4.3, следует отметить, что для сапропеля № 1 (интервал концентраций - 10-40 %) ограничением являются водоотдача, стабильность суспензии и толщина глинистой корки. В исследованном интервале концентраций водоотдача превышает требуемую, лишь при концентрации 40 % приближается к ней и составляет 32 см3. Стабильность суспензии при концентрации 40 % составляет 0,032 г/см3, что превышает требуемую. Суспензии нестабильны в изученном диапазоне концентраций. При концентрации суспензий от 10 до 18 % толщина глинистой корки соответствует требованиям, при этом другие характеристики суспензии выходят за рамки требований. Для сапропеля № 2 при концентрации от 10 до 40 % водоотдача и толщина сапропелевой корки являются ограничителями. Лишь суспензия с концентрацией 30 % удовлетворяет требуемым параметрам.

При устройстве траншейных стенок требования к характеристикам суспензий не такие строгие, как при бурении скважин. На практике пытаются снизить водоотдачу для снижения потерь воды из суспензии, стабильности и суточного отстоя, а остальные характеристики удержать в требуемых пределах. По результатам исследований получены эмпирические зависимости показателей свойств суспензий от концентрации сапропеля [18, 19, 36].

4.2 Результаты исследования фильтрационных свойств песчано-сапропелевых смесей

Фильтрационные свойства песчано-сапропелевых смесей исследовались с целью установления влияния концентрации сапропеля в смеси на ее водопроницаемость и фильтрационную прочность. Смеси приготавливались из песка № 1 и 2 с 5-, 10- и 15 %-ным содержанием сапропеля № 2.

Песчано-сапропелевые составы в исследованном диапазоне концентраций по числу пластичности можно отнести к связным (супесчаным) грунтам [14, 54, 69, 107, 123, 151, 177,]. Однако необходимо учитывать содержание в них частиц органического происхождения [77, 78]. Для смесей, приготовленных на основе сапропеля № 2 и песка № 1 и 2, содержание органического вещества увеличивалось с 0,75 до 2,25 % при увеличении содержания сапропеля с 5 до 15 %.

В определенных гидродинамических условиях из массива могут вымываться частицы определенного размера, согласно геометрическому критерию выноса (1.14).

Определение критического размера частиц произведем для песка № 2 по следующим данным: ] = 52; d17 = 0,027 мм; n = 0,351.

Диаметр максимального фильтрационного хода

n

d0max = ^ • C-d17 = 3,6 • 0,879 • 0,54 • 0,027 = 0,046 мм.

1 - n

Коэффициент неравномерности раскладки частиц

Х = 1 + 0,05 •] = 1 + 0,05 • 52 = 3,6.

C = 0,455 • = 0,455 • ^52 = 0,879.

В соответствии с геометрическим критерием выноса (1.14), размеры частиц, подверженных вымыванию из грунта,

dri < 0,77 • ± = 0,77 • 0,046 = 0,035 мм.

ci ' 0 max у у у

Частиц такого размера в грунте по данным механического анализа содержится 18 % по массе, следовательно, грунт - суффозионный.

Результаты оценки суффозионности исследованных грунтов и смесей на их

основе приведены в таблице 4.4. Согласно выполненным расчетам песок № 1 является практически несуффозионным, а песок № 2 и песчано-сапропелевые смеси № 1-6 - суффозионными по геометрическому критерию выноса.

На рисунках 4.7-4.12 приведены графики, построенные по результатам исследования водопроницаемости песчано-сапропелевых смесей № 1-6. В ходе опыта коэффициент фильтрации не оставался постоянным. На его изменчивость влияло большое количество факторов, учесть влияние которых практически невозможно: изменение температуры и атмосферного давления; трансформация структуры смеси при увеличении градиента; неточности при отборе и определении количества профильтровавшейся воды и др.

С целью определения достоверного коэффициента фильтрации был проведен статистический анализ данных [67, 71, 192], в результате которого была установлена подчиненность опытных данных закону нормального распределения. Распределение непрерывной случайной величины описывается плотностью [67]

1

Н1 ) = ^' * 2' (4-4)

где п - отношение длины окружности к ее диаметру, равное 3,1415;

е - основание натурального логарифма, равное 2,7182;

? - нормированное отклонение;

г = , (4-5)

а

где х - значение изучаемого признака (коэффициент фильтрации, см/с);

х - среднее арифметическое;

а- среднее квадратичное отклонение.

Определение теоретических частот кривой нормального распределения ведем в следующей последовательности.

Определяем число интервалов по формуле Стерджеса:

^ * 1 + 3,322 • ^ N, (4-6)

где N - объем совокупности.

Таблица 4.4 - Оценка исследованных грунтов и смесей на суффозионность по геометрическому критерию выноса

Наименование грунта Коэффициент не-однородности ц ^ 17 , мм Коэффициент пористости е, доли единицы Коэффициент неравномерности раскладки X С Размер максимального фильтрационного хода, мм Критический диаметр частиц, которые могут быть вымыты, ^Ы , мм Содержание вы-мывае-мых частиц, % Оценка исследованных грунтов и смесей на суффозион-ность

Песок № 1 2,6 0,26 0,57 1,130 0,5335 0,089 0,069 1 Несуффозионный

Смесь № 1 4,4 0,18 0,35 1,220 0,5824 0,045 0,035 4,5 Суффозионный

Смесь № 2 8,2 0,13 0,62 1,410 0,6461 0,073 0,056 10,5 Суффозионный

Смесь № 3 26,5 0,07 0,91 2,325 0,7856 0,116 0,089 19 Суффозионный

Песок № 2 52 0,027 0,54 3,600 0,8790 0,046 0,035 19 Суффозионный

Смесь № 4 69 0,015 0,35 4,450 0,9215 0,022 0,017 18 Суффозионный

Смесь № 5 82 0,01 0,60 5,100 0,9484 0,029 0,022 21,5 Суффозионный

Смесь № 6 97 0,007 0,91 5,850 0,9753 0,036 0,028 28 Суффозионный

о 4

0,00001

Л -

А, ... АЛ; \л л N ♦ к

V

*

0 10 20 30 40 50

Продолжительность опыта, сут

60

70

о

я ы

£Г

Л

<и Я

а а

(Т) О

И

0,00001

о о\

20

40

60

80

100

120

Продолжительность опыта, сут

о о

а

5

Щ

0,000010

и к

<и

о о

0,000001

о

50

100

150

200

Продолжительность опыта, сут

Продолжительность опыта, сут

Продолжительность опыта, сут

0,0000001 -I-----к

0 50 100 150 200 250

Продолжительность опыта, сут

Полученное значение округляем до целого. Для подсчета границ интервалов определяем размах вариации:

R = Xmax - Xmln , (4.7)

где xmax - максимальное значение признака (коэффициента фильтрации); Xmin - минимальное значение признака.

Начало первого интервала отмечаем на ширины левее xmin, а конец последнего интервала - на ширины правее xmax . Значение интервала эмпирического распределения

R

h = —. (4.8)

s -1

Устанавливаем границы интервалов:

h

а = x . —, a = a + h, ... , а = а , + h. (4.9)

0 min 2 1 0 ' ' n n-1 V /

В качестве контроля проверяем выполнение равенства

an = Xmax + h. (4.1°)

Значение среднего арифметического параметра (коэффициента фильтрации) определяем по формуле

Xi • mi

х = -, (4.11)

N

где хг, Шг - соответственно середина и частота /-го интервала. Значение середины интервала вычисляем по формуле

X = ^^. (4.12)

Определяем среднее квадратичное отклонение:

а = у[Щ, (4.13)

где Э(х) -дисперсия, определяемая по формуле

* _ 2

Ё( х- х)

Б (х) = ^------(4.14)

N

s

Для оценки совпадения теоретической и эмпирической кривых вычисляем критерий Пирсона:

ж!«,=Х> (4Л5)

ш.

где ш) - теоретическая частота /-го интервала.

Ш = — -р( г). (4.16)

а

Число степеней свободы

к = б -1 - г, (4.17)

где г - число параметров распределения, оцененных по данным выборки (математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение), г = 2. Тогда

к = б - 3. (4.18)

Если выполняется условие

Хнабл < Хкр ,

(4.19)

то теоретическое воспроизведение эмпирического ряда достаточно удовлетворительное. Если выполняется обратное неравенство

Хал >жКр, (4.20)

то теоретическое воспроизведение эмпирического ряда неудовлетворительное, т. е. выбранная модель неверна.

Для оценки близости распределения к нормальному определим асимметрию и эксцесс. Асимметрия теоретического распределения

А =4, (4.21)

а

где ¡л3 - центральный момент третьего порядка/

_Е( х- х )3 • Ш

! = - -. (4.22)

Если Л3 > 0 - асимметрия правосторонняя; если Л3 < 0 - асимметрия левосторонняя; если Л8 = 0 - асимметрии нет.

Существенность асимметрии оцениваем с помощью среднестатистической ошибки

б(N -1)

(4.23)

])(N + 1)( N + 3)'

Асимметрия считается несущественной, если выполняется условие

А

< 3. (4.24)

аА*

Эксцесс теоретического распределения

Е* =4 -3, (4.25) а

где ¡4 - центральный момент четвертого порядка.

х - х) • т.

4 = К ы*- . (4.26)

Если Е8 > 0 - острая вершина; если Е8 < 0 - плоская вершина; если Е8 = 0 -идеальная вершина.

Оценку существенности эксцесса производим с помощью среднестатистической ошибки:

24 N (N - 2)(N - 3) . (4.27) '( N -1)2 ( N + 3)( N + 5)

Эксцесс считается несущественным, если выполняется условие

Е.

а Е*

< 3. (4.28)

Анализ распределения изучаемого признака (коэффициента фильтрации) произведем на примере смеси № 1. Определяем число интервалов:

* * 1 + 3,322 • ^58 = 6,86. Округляем полученное значение до целого, я = 7. Определяем размах вариации:

Я = 8,50-10-5 -3,92-10-5 = 4,58-10-5. Отмечаем начало первого интервала на ширины левее хшп, а конец последнего интервала - на ширины правее хшах. Величина интервала эмпирического распределения

И = 4'58-10-5 = 7,63.10-6. 7 -1

Определяем границы интервалов:

а0 = - И = 3,92. 10-5 - = 3,54. 10-5;

а = а + И = 3,54- 10-5 + 7,63 - Ю-6 = 4,30- 10-5; а = а + И = 4,30 -10-5 + 7,63 -10-6 = 5,06 -10-5; а = а + И = 5,07 -10-5 + 7,63 -10-6 = 5,82 -10-5; а = а + и = 5,83 -10-5 + 7,63 -10-6 = 6,58 -10-5; а = а + И = 6,59 -10-5 + 7,63 -10-6 = 7,34 -10-5; а = а + И = 7,36 -10-5 + 7,63 -10-6 = 8,10 -10-5; а = а + и = 8,12 -10-5 + 7,63 -10-6 = 8,86 -10-5. В качестве контроля выполняем проверку равенства

а = ^ + И = 8,50 -10"5 + 7,63 -10 = 8,88 -10-5.

/ Шал ^ ^

Результаты расчета середин интервалов по формуле (4.12) и соответствующих им частот приводим в таблице 4.5.

Значение среднего арифметического параметра (коэффициента фильтрации)

- 3,60-10-3 ^ -5

.х =-= 6,21-10 .

58

Значение дисперсии

д х) = 5,31-109 = 9,16 -10-11. 58

Определяем среднее квадратичное отклонение:

а = у/ 9,16 -10-11 = 9,57-10-6

Таблица 4.5 - Результаты расчета середин интервалов и соответствующих им частот

Номера интервалов Частоты Середины интервалов Хг хг • Щ (х - * )2 т

0-1 2 3,92 • 10-5 7,84 • 10-5 1,05 • 10-9

1-2 5 4,68 • 10-5 2,34 • 10-4 1,17 • 10-9

2-3 11 5,44 • 10-5 5,98 • 10-4 6,52 • 10-10

3-4 20 6,20 • 10-5 1,24 • 10-3 2,00 • 10-13

4-5 14 6,96 • 10-5 9,74 • 10-4 7,87 • 10-10

5-6 5 7,72 • 10-5 3,86 • 10-4 1,14 • 10-9

6-7 1 8,48 • 10-5 8,48 • 10-5 5,15 • 10-10

Е = 58 Е = 3,60 • 10-3 Е = 5,31 • 10-9

Для оценки совпадения теоретической и эмпирической кривых определяем критерий Пирсона (формула (4.15)). Результаты расчета приведены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Результаты расчета отклонений частот и критерия Пирсона

г щ щ) щ - Щ \ (щ - Щ1)2 т - щ1)2 т) т2 т г2 т ]

1 2 1 1 1 1,00 4 4,00

2 5 6 -1 1 0,17 25 4,17

3 11 13 -2 4 0,31 121 9,31

4 20 18 2 4 0,22 400 22,22

5 14 13 1 1 0,08 196 15,08

6 5 6 -1 1 0,17 25 4,17

7 1 1 0 0 0,00 1 1,00

Е 58 58 %2абл = 1,95 59,95

Контроль

Хнабл ~ -1,95 •

т2

£т - N = 59,95 - 58 = 1,95.

т.

Число степеней свободы определим по формуле (4.17):

к = 7 - 3 = 4.

По таблице критических точек распределения [67] по уровню значимости а = 0,05 и числу степеней свободы к = 4 находим х2р (0,05; 4) = 9,5.

Так как

%набл = !,95 < Хкр = 9, 5,

то теоретическое воспроизведение эмпирического ряда достаточно удовлетворительное.

Для определения асимметрии и эксцесса проведем предварительные расчеты. Результаты расчета приведены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Результаты предварительного расчета для определения асимметрии и эксцесса

Номера интервалов Частоты т. Середины интервалов хг ( - * )2 т\ (- * )3 т; ( *■ - * )4 т\

0-1 1 3,92 • 10-5 5,24 • 10-10 -1,20 • 10-14 2,75 • 10-19

1-2 6 4,68 • 10-5 1,40 • 10-9 -2,15 • 10-14 3,29 • 10-19

2-3 13 5,44 • 10-5 7,71 • 10-10 -5,93 • 10-15 4,57 • 10-20

3-4 18 6,20 • 10-5 1,80 • 10-13 -1,80 • 10-20 1,80 • 10-27

4-5 13 6,96 • 10-5 7,31 • 10-10 5,48 • 10-15 4,11 • 10-20

5-6 6 7,72 • 10-5 1,37 • 10-9 2,07 • 10-14 3,12 • 10-19

6-7 1 8,48 • 10-5 5,15 • 10-10 1,17 • 10-14 2,66 • 10-19

Е = 58 Е = 5,31 • 10-9 Е = -1,55 • 10-15 Е = 1,27 • 10-18

Центральный момент третьего порядка

\-15

ц= 1,55 '10- =-2,67 1017 ^ 58

Асимметрия теоретического распределения

-2 67 -10-17 А = 2,67 10 3 =-0,03.

(9,57•Ю-6) Так как Л8 < 0 - асимметрия левосторонняя.

Оценку существенности асимметрии производим с помощью среднестатистической ошибки:

СТ4

6(58-1) -0,31

58 + 1)(58 + 3)

Так как условие (4.24) выполняется:

1-0,031 = = 0,1 < 3

оА 0,31

-20

то асимметрия считается несущественной.

Центральный момент четвертого порядка

1,27-10-18 1П.

и. =-= 2,19 -10

4 58

Эксцесс теоретического распределения

2 19 •Ю-20

Е = /2,19 вч4 -3 = -0,39.

(9,57 •10-6) Так как Е8 < 0 - плоская вершина.

Оценку существенности эксцесса производим с помощью среднестатистической ошибки:

Еэ

24• 58(58-2)(58-3)

^(58 -1)2 (58 + 3)(58 + 5) Так как условие (4.28) выполняется: