Особенности работы гидротехнических сооружений оросительных систем на лессовых грунтах, закрепленных силикатизацией

Актуальность вопроса. Решениями ХХУ1 съезда КПСС и Продовольственной программой, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС в нашей стране намечена широкая программа мелиорации земель. В I98I. I985 годах предусматривается сельхозосвоение около 4- млн. га новых орошаемых площадей /1,9/, значительная часть которых в Средней Азии, Казахстане, на Украине, в Молдавии, Закавказье сложены структурно-неустойчивыми лессовыми грунтами /7/. Сложность строительства на которых общеизвестна /2/.

Интенсификация освоения орошаемых земель, наряду с увеличением капиталовложений, требует сокращения сроков строительства оросительных систем в 2.3 раза с уменьшением их стоимости. При этом следует учитывать разбросанность гидротехнических сооружений по огромной территории, отсутствие дорог, электроэнергии, воды, необходимость ликвидации просадочности в мощных толщах (25.38 м и выше) лессовых грунтов. Все это приводит к дополнительному увеличению сроков освоения земель и их стоимости. Например, в Таджикистане где почти все вновь осваиваемые земли размещаются на просадочных грунтах, капитальные вложения достигают 9000 руб на I га.

В настоящее время наиболее распространенным способом подготовки оснований сооружений на сильнопросадочных грунтах является предварительное замачивание в советании с механическим уплотнением верхних горизонтов грунтового основания. Предварительное замачивание — наиболее простой способ ликвидации просадочности лессовых грунтов в массивах значительной мощности — имеет ряд недостатков, а именно: длительность проведения работ, большой расход воды, невысокая степень уплотнения. В последние годы в ирригации используются более эффективные противопросадочные мероприятия, к которым можно отнести уплотнение лесса тяжелыми трамбовками, гидровибрированием, электроискровым способом и подводными взрывамиустройство «подушек» и-з грунта, переработанного землеройными механизмами .17/. Од-* нано указанные способы имеют определенные недостатки, ограничивающие их широкое применение в водохозяйственном строительстве: неравномерность уплотнения лессов, значительные объемы перерабатываемого грунта, невозможность использования некоторых методов (гидровибрирование, электроискровое уплотнение) из-за отсутствия достаточного количества применяемого оборудования.

Среди известных методов упрочнения наибольший практический интерес представляет силикатизация лессовых грунтов. Важными преимуществами этого способа подготовки лессовых оснований, предложенного Аскалоновым В. В. /18,114-/, являются быстрый процесс закрепления грунтов с достаточной прочностью (до 2,0.2,5 МПа), приобретение водоустойчивости, ликвидация просадочности. Сам силикат натрия, используемый для закрепления, хорошо растворяется в воде, и вязкость его раствора близка к вязкости воды. Указанный метод упрочнения получил довольно широкое применение в гражданском и промышленном строительстве /19.25/, однако в мелиоративном строительстве пока не применяется. Основная причина, препятствующая применению силикатизации, заключается в сложности и трудоемкости существующего технологического процесса, необходимости использования специального оборудования, для проведения этих работ (насосы, компрессоры, инъ-екторы, разводящая сеть, контрольно-регулирующая аппаратура). Другим важным недостатком способа является то, что лишь 50% подаваемого раствора жидкого стекла участвуют в процессе закрепления, а остальная часть — под значительным давлением (до б атм) заполняет крупные поры. Эти причины приводят к высокой стоимости I м закрепленного грунта (10.15 руб) /3,18/.

Учитывая, что нагрузки от ирригационных сооружений, как правило, не превышают 0,2 МПа, а сильнопросадочные лессы-грунты довольно водопроницаемы, представляется возможность упростить технологию силикатизации лессов, уменьшить стоимость кубометра закрепленного грунта таким образом, чтобы предлагаемый метод был бы конкурентоспособным в мелиоративном строительстве. Для этого предлагается (авторское свидетельство № 863 765) осуществлять пропитку лес-" сов раствором силиката натрия через предварительно пробуренные скважины, получая в грунтовом массиве своеобразные столбы-сваи из грунта с повышенной прочностью — водоустойчивого и непросадочно-го.

Цели и задачи работы. Основная цель исследований — повышение эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений внутрихозяйственной оросительной сети, сокращение сроков строительства и уменьшение их стоимости за счет использования нового метода безнапорной силикатизации лессовых просадочных грунтов.

Задачами исследования являются:

— выявление возможности закрепления сильнопросадочных лессовых грунтов нарушенной и ненарушенной структуры природной влажности свооодной пропиткой крепящим раствором через пробуренные скважины и с поверхности котлованов;

— разработка новой технологии создания свайных опор для лотковых каналов и сооружений оросительных систем из силикатизированных грунтов;

— изучение особенностей работы свайных опор из закрепленного, грунта в основаниях лотковой сети при эксплуатации оросительных систем (в условиях замачивания);

— разработка метода расчета свайных опор лотковых каналов из силикатизированных лессовых грунтов;

— технико-экономическая оценка предложенного способа подготовки оснований при применении его в мелиоративном строительстве;

— разработка на основе данных экспериментальных исследований рекомендаций по использованию химического закрепления лессовых гру' нтоб методом силикатизации по новой технологии для устройства свай при строительстве лотков и других гидротехнических сооружений мелиоративных систем.

Методика и объекты исследований. Экспериментальные исследования по данной теме проводились, главным образом, в полевых условиях: на Колхозабадском научно-исследовательском полигоне Министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР и Караул-Тюби-нском массиве, сложенных среднеи сильнопросадочными лессовыми грунтами /97/. При разработке способа закрепления грунтов свободной пропиткой силикатом натрия определялись основные характеристики упрочненного грунта в зависимости от концентрации и объема заливаемого раствора, габаритных размеров скважин (котлованов), технологических условий создания силикатированных столбов-свай. Подготовка опытных объектов осуществлялась следующим образом: скважины заданных параметров (диаметра и глубины) бурились передвижным буровым станком УГБ-50. Жидкое стекло (ГОСТ 13 078−67) плотностью 1,42 г/см разводилось в передвижной емкости на базе автомобиля ЗИЛ-130 до рабочей концентрации (f = I, U25. I, I3 г/см3), с последующей заливкой с поверхности в подготовленные скважины или котлованы.

Изучение условий работы свайных опор из закрепленного грунта как основания лотковой сети в условиях замачивания проводилось на участке канала длиной 36 м, выполненном из ненапряженных лотков марки ЛР-Ю. Нагрузка от лоткового оросителя передавалась на грунтовые сваи из закрепленного улесса глубиной до I0.1I м. Вокруг упрочненных опор отрывались котлованы диаметром, позволяющим имитировать поступление воды в основание лотковой сети при эксплуатации системы. Участок лоткового канала был оборудован системой глубинных и поверхностных марок для наблюдеияя за совместной работой закрепленных свай и окружающего массива в условиях замачивайия и радиометрическими скважинами для выявления особенностей продвижения фронта увлажнения с помощью нейтронного индикатора влажности НИВ-2,.

В лабораторных условиях были осуществлены опыты, позволившие' выявить характер распределения объемной массы скелета грунта и влажности при силикатизацииопределить прочностные, деформатив-ные и фильтрационные характеристики закрепленного грунта, изучить их изменение во времени в условиях замачивания закрепленного массива, установить особенности размокания грунта в оросительной воде. Лабораторные исследования осуществлялись по стандартным методикам.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование лессовых грунтов закрепленных безнапорной силикатизацией в натурных условиях под различными элементами оросительной сети. При этом разработаны и изучены:

— технология силикатизации лессов свободной пропиткой через пробуренные скважинывыявлено влияние диаметра’скважины, концентрации и объема заливаемого в нее раствора на прочностные и деформационные характеристики закрепленного лессаопределена возможность степени повышения прочности закрепленного грунта и установлены основные факторы, влияющие на эффективность закрепления;

— конструкция столбов-свай из закрепленного лесса, которые могут быть использованы в ирригационном строительстве;

— методика расчета столбов-свай из закрепленного лесса при строительстве лотковых каналов;

— особенности работы лотков-каналов, возведенных на сваях из силикатизированного лесса, в процессе эксплуатации этих гидротехнических сооружений на орошаемых полях;

— технико-экономическая оценка предлагаемого способа строительства ирригационных сооружении.

Практическая ценность и внедрение работы. Предложенный новый* способ строительства гидротехнических сооружений оросительных систем, защищенный авторским свидетельством не 863 765, позволяет значительно сократить сроки строительства лотковых каналов и других гидротехнических сооружений оросительных систем и уменьшить стоимость подготовки их оснований на просадочных грунтах. Определена область применения этого способа при строительстве ирригационных сооруженийразработано и утверждено научно-техническим советом министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР (протокол № 3 от 28.Jii.8I г.) руководство по технологии создания свай силикатизацией лессов при строительстве лотков и других гидротехнических сооружений на сильнопроиадочных грунтах. полученные результаты позволили внедрить предложенный способ в производственных условиях на объектах треста Вахшводстрой Министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР. Применение метода силикатизации при экспериментальном строительстве лотковых оросителей P-2-I-I в колхозе им. Ленина Пянджского района и 2МК Ку-мсангирского района республики позволило сократить сроки строительства в 5 раз, значительно снизить себестоимость строительно-монтажных работ и удельные капитальные вложения. На основе этого опыта по плану внедрения новой техники и передовой технологии треста Вахшводстрой в 1982 г. осуществлено строительство 4 км лотков* каналов 2 МК в Кумсангирском районе с экономическим эффектом 20,2 тыс. рублей и в 1983 г. построено 10,8 км лотковых оросителей с экономическим эффектом 47,5 тыс. рублей (Приложение I). Разработанный метод использован Министерством сельскохозяйственного строительства Таджикской ССР при строительстве одноэтажного двухквартирного дома на новоосваиваемых землях совхоза «Субтропики» с экономическим эффектом 3 тыс. рублей (Приложение 2).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на семинарах и школах передового опыта Министерства мелиорации и во-" дного хозяйства Таджикской ССР (1978,1979 гг.), научно-технической конференции молодых ученых Таджикского" ШИ почвоведения (1980г.) научно-технических советах ВНЙИГиМ и Министерства мелиорации и водного хозяйства Таджикской ССР (1981 г.).

Основные положения диссертации доложены в 1983 г. на заседании секции гидротехники и гидравлики Ученого Совета ВНИИГиМ им. А. Н. Костикова.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трудах ВНИИГиМ (1978 г.), республиканских изданиях (1979 г., 1980 г.). Разработано и утверждено руководство по строительству гидротехнических сооружений на сильнопросадочных лессовых грунтах с использованием безнапорной силикатизации (1981 г.) — получено авторское свидетельство на изооретение № 863 765 (1981 г.).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы (122 наименования), приложений 1,2, содержит 154 страницу машинописного текста,' 28 таблиц и 30 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Освоение орошаемых земель на просадочных грунтах, занимающих в южных районах СССР более 25% всех пригодных к сельскохозяйственному использованию территорий, приобретает в свете новой Продовольственной программы особо важное значение, требуя, наряду с увеличением капиталовложений, сокращения сроков и стоимости строительства оросительных систем. Особо сложные условия создаются при строительстве таких важнейших элементов внутрихозяйственной сети, какими являются железобетонные лотки и асбоцементные трубопроводы. Основным способом возведения этих гидротехнических сооружений является сейчас предварительное замачивание лессов, требующее больших количеств воды и продолжительных сроков для осуществления, дополняемое забивкой железобетонных свай длиной б.7 м (для лотков-каналов) или поверхностным трамбованием тяжелыми трамбовками (для трубопроводов закрытой оросительной сети,). Другие технологии пока еще детально не разраоатывались, что значительно осложняет освоение новых орошаемых земель.

2. Предлагается рассматриваемые гидротехнические сооружения и ряд других объектов на оросительных системах возводить с использованием закрепления лессов свободной пропиткой раствором силиката натрия. По этому предложению (авторское свидетельство № 863 765) на участке работ в соответствии с размерами сооружения отрывают котлован глубиной О, 4. О, 6 м, на дне которого бурят скважины на заданную глубину. Затем котлован и скважины заполняют раствором жидкого стекла с плотностью 1,06*1,09 г/см3, который благодаря низкой вязкости проникает в массив просадочного грунта как с поверхности, так и через скважины. В результате в укрепляемом массиве образуются столбы-сваи и сплошной маловодонепроницаемый экран из лесса повышенной прочности, водоустойчивого и непросадочного. При таком способе силикатизации Значительно снижается расход жидкого стекла, упрощается процесс закрепления, исключается необходимость использования сложного дорогостоящего оборудования для нагнетания крепящего раствора под давлением, уменьшается затраты труда и он становится конкурентоспособным в ирригации.

3. Для обоснования целесообразности использования нового способа фундирования гидротехнических сооружений внутрихозяйственной оросительной сети на просадочных грунтах разработаны и изучены:

— конструкции столбов-свай, создаваемые пропиткой лессов раствором силиката натрия через пробуренные сквадины и из котлованов применительно к различным условиям опирания лотков-каналов и трубопроводов закрытой оросительной сети;

— технология упрочнения лессов новым способом;

— особенности работы лотков-каналов, возведенных на опорах из. силикатированного лесса, в процессе их эксплуатации;

— методика расчета столбов-свай из закрепленного лесса применительно к различным условиям опирания лотков-каналов;

— технико-экономическая оценка предлагаемого способа строительства ирригационных сооружений;

— составлены соответствующий нормативный документ и осуществлено внедрение предлагаемого противопросадочного мероприятия с соответствующим экономическим эффектом.

При разработке конструкции столбов-свай и технологии их создания в полевых и лабораторных условиях установлены закономерности движения раствора силиката натрия различной концентрации в закрепляемой целинной лессовой толще и скорость сработки раствора в котлованах и скважинах, показавшие, что этот процесс непосредственно связан с плотностью крепящего раствора, выявлены особенности формирования зон закрепления в лессовой толще при инфильтрации крепящего раствора из скважин и котлованов, а именно: влияние диаметра скважин на изменение радиуса и степени закрепления, изменение прочностных и деформативных характеристик силикатированного грунта в зависимости от концентрации раствора жидкого стекла и соответствие их требованиям, предъявляемым гидротехническими сооружениями, влияние количества подаваемого раствора на размеры закрепляемых массивов и распределение суммарного объема крепящего раствора по вертикали, влияние на зону и характер закрепления упрочненного ядра, создаваемого отсыпкой в скважину, заполненную крепящим раствором, лессового грунта нарушенной структуры, установлены основные параметры столбов-свай при такой методике их упрочнения, определен эффект закрепления при различной глубине его осуществления.

5. На основании проведенных экспериментов для лотков-каналов, опирающихся на стойки или подлотковую плиту рекомендуется закреплять лесс через скважины переменного поперечного сечения и через котлован, позволяющий получить в верхней части толщи массив соответствующих размеров, на который будет опираться фундамент стойки или подлотковая плита. Заливку раствора следует осуществлять в 2*3 приема с общим расходом 1,8*2,0 кратности емкости скважины. Доливы осуществляют после сработки раствора на 1,5*2 м и после последней и соответствующей новой сработки раствора заполняют скважину лест сом нарушенной структуры, верхний слои’которого следует уплотнять до объемной массы скелета равной 1,5*1,6 г/см3.

Для трубопроводов следует использовать так же скважины переменного поперечного сечения, но без котлована в верхней части толщи. Крепящий раствор заливают до отметки расположенной на 15*20 см ниже отметки заложения трубыдо этой же отметки отсыпается грунт сердечника. Сразу же по окончании этих операций рекомендуется отрывать траншею и укладывать трубопровод.

Для лотков-каналов, опирающихся на короткое (2*3 м) железобетонные сваи закрепляемый массив лесса рекомендуется получать с помощью скважины постоянного поперечного сечения. После заполнения их грунтом нарушенного сложения устанавливают короткую железобетонную сваю, закрепляя и ее новой порцией раствора силиката натрия.

Установку лотков следует осуществлять не ранее чем через 7 суток после окончания заливки скважин и отсыпки грунта сердечника, то есть тогда, когда силикатированный грунт наберет около 50% своей прочности.

6. Оценки эффективности строительства лотков-каналов и других гидротехнических сооружений с использованием химического закрепления лессов осуществлена в полупроизводственных условиях на Колхо-забадском научно-исследовательском полигоне Минводхоза Таджикской ССР, где были установлены шесть лотков JIP-IO с различными вариантами опор и разной глубиной закрепления лессовой толщи. На этом объекте изучалась инфильтрация воды из котлованов, имитирующих течи в лотках с определенным расходом (развитие увлажненного контура и его максимально возможной водонасыщенной зоны во времени по глубине и в стороны), и проявление деформаций лотков-каналов в этих условиях. Установлено, что при увлажнении грунта из котлованов, располагающихся непосредственно у опоры лотка, глубина упрочнения лессов, равная б м, недостаточна, что деформации лотков здесь г превышают допустимые, а для столбов-свай глубиной 8.8,5 мони находятся в допустимых пределах. Установлено, что перемещение лот-' ков начинается несколько раньше момента, когда инфильтрующая из котлована вода достигла подошвы столбов-свай, что свидетельствует' о наличии сил отрицательного (негативного) трения проявляющихся при просадках окружающих свайную опору лессовых грунтов природного сложения. Выявлено, что деформации лотков, у которых источник увлажнения находится в стороне от опоры, что на орошаемом поле часто имеет место, примерно в два раза меньше чем в описанном выше случае. Все эти данные показали, что рассматриваемое мероприятие может обеспечить эксплуатационную надежность гидротехнических сооружений. Одновременно дали необходимый материал для расчета свай*-ных опор из силикатированного лесса.

7. Анализ экспериментального материала позволил получить формулы для расчета сработки крепящего раствора в котлованах и снва-жинах, что, в свою очередь, даст возможность установить время для осуществления всего технологического процесса закрепления лессов предлагаемым способом. Получена аналитическая зависимость для определения радиуса упрочняемых столбов-свай и с учетом этого показателя разработана методика расчета свайных опор лотковых оросителей. В основу этого последнего расчета положены рекомендации А. А. Григорян для расчета на просадочных грунтах железобетонных свай. Отличительными особенностями предложения является то, что оно разработано для столбов-свай из силикатированного лесса и позволяет расчитать не только общие перемещения лотка-канала, но и нагрузки передаваемые на столб-сваю в различных ее поперечных сечений, что дает возможность задавать необходимую прочность силикатированного грунта. Кроме этого расчет учитывает особенности опирания лотка (через стойку и подлотковую плиту иль с помощью короткой железобетонной сваи), а также в нем даны рекомендации по установлению размеров участка закрепленного грунта, в пределах которого действуют силы отрицательного (негативного) трения. Рекомендуется размеры этой части столба-сваи принимать равными глубине зоны максимально возможного водонасыщения на расчетный промежуток времени. То есть этот показатель увязан с размерами и формой источника увлажнения и периодом его существования.

8. Область применения способа строительства гидротехнических сооружений с использованием силикатизации просадочных грунтов не ограничивается фундированием лотков-каналов и трубопроводов. Учитывая невысокую стоимость создания скважены любой глубины высокопроизводительным буровым оборудованием и незначительную, все уменьшающуюся стоимость силиката натрия, глубина закрепления предлагаемым способом может быть практически любой, степень упрочнения грунта также может быть получена за счет увеличения плотности раствора аналогичной или близкой к прочности силикатированного грунта при его нагнетании под давлением. В этих условиях способ может быть рекомендован для фундирования опор дюкеров и акведуков, сетевых гидротехнических сооружений, при ремонте и восстановлении действующих ирригационных объектов без перерыва в их эксплуатации, при ' строительстве сооружений в стесненных условиях между ранее построенными зданиями и сооружениями и на косогорах, для зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, возводимых на оросительных системах и т. д.

9. Для реализации этого способа в производственных условиях разработано, утверждено и введено в действие с I января 1982 г. (приказ по Минводхозу Таджикской ССР № 44-д от 12.02.1982 г.) руководство по технологии создания свай силикатизацией лессов при строительстве лотков и других гидротехнических сооружений на сильно-просадочных грунтах. При экспериментальном строительстве лотковых оросителей P-2-I-I в колхозе им. Ленина Пянджского района Таджикской ССР сроки возведения лотков были уменьшены в 5 раз. На основании этого опыта по плану внедрения новой техники и передовой технологии трестом Вахшводстрой в 1982 г. осуществлено строительство 4 км лотков-каналов 2МК в Кумсангирском районе Таджикистана с экономическим эффектом 20,2 тыс. рублей (приложение I) и в 1983 году в этот же план включено строительство 7 км лотковых оросителей с экономическим эффектом $ 0 тыс.рублей. Министерством сельскохозяйственного строительства построен с использованием данного метода одноэтажный двухквартирный дом на новоосваиваемых землях совхоза «Субтропики» с экономическим эффектом 3 тыс. рублей (приложение 2).