НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДРЕНАЖЕЙ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В СВЯЗНЫХ ГРУНТАХ СОЧИНСКОГО РЕГИОНА

Технологии работ по устройству горизонтальных дренажей в связных грунтах, обеспечивающие их эффективную длительную устойчивую работу во времени имеют большое значение в жилищном, мелиоративном, гидротехническом строительстве.

Связные грунты природного сложения характеризуются пористостью 40—75 %, размером пор 50—400 µm, различной влажностью, числами пластичности 1—60, показателями консистенции 0—1, коэффициентами фильтрации 1·10¹ м/сут — 1·10⁸ м/сут. Состоят они из многих минералов различной степени выветрелости, преимущественно из кварца и глинистых минералов (коалинит, монтмориллонит и др.). Электронно-микроскопическими исследованиями состава глин М.Ф. Викуловой [3], установлено, что кварцевые частицы в них присутствуют не только в крупнозернистой фракции, но также и в мелкозернистой с размерами частиц менее 1 µm. Причем, содержание частиц кварца в мелкой фракции составляло 49—51 %. Этими исследованиями также установлено, что такое же положение наблюдается не только в минеральных грунтах (глины, суглинки, супеси), но и в различных почвах, которые содержат органические вещества. Про данным Ю.М. Абелева [1], первичные частицы каолинита имеют толщину от 0.02 µm и больше, длину 0.1—0.25 µm, а первичные частицы монтморилонита толщину от 0.001 µm и больше, а длину 0.1—0.3 µm.

Известно, что глинистые минералы представляют собой водные силикаты и алюмосиликаты преимущественно алюминия и магния. Всего насчитывается около 50 глинистых минералов. По строению различают глинистые минералы, состоящие:

1.  Из двухэтажных силикатных слоев (группа каолинита);

2.  Из трехэтажных силикатных слоев (группа монтморилонита и гидрослюд);

3.  Из пакетов, сложенных одним одноэтажным и одним трехэтажным силикатными слоями.

Кроме этих структур существует группа смешанно-слоистых минералов, в структуре которых сочетаются все перечисленные выше типы.

Частицы глинистых минералов могут иметь кристаллическую или аморфную структуру. К глинистым минералам относятся минералы группы каолинита, монтмориллонита, иллита, многочисленные упорядоченные и неупорядоченные смешанно-слоистые образования, тонкочешуйчатые агрегаты слюд, гидрослюд, вермикулита, хлоритов. В природном состоянии связные породы в большинстве своем представляют собой смесь кварца и глинистых минералов в различных пропорциях. Сложность использования результатов работ различных исследователей заключается в том, что в них не указаны сведения по минералогическому составу связных пород, их структуре и текстуре. Как правило, проверяются лишь основные характеристики: число пластичности, показатель консистенции, угол внутреннего трения и величина сцепления.

В холмистом рельефе Сочинского региона основанием большинства зданий и сооружений являются делювиальные, элювиальные суглинки и глины, аргиллиты верхнего палеогена. Петрографическое изучение их минералогического состава показывает, что в большинстве случаев в связных породах основными глинистыми минералами являются минералы групп монтмориллонита и каолинита. Минералы группы монтмориллонита определяют набухание связных грунтов до сильно набухающих. Данная тенденция четко прослеживается географически от Лазаревского до Адлера. Основной особенностью связных грунтов является сцепление между частицами и агрегатами частиц. При работе дренажа происходит взаимодействие сил фильтрационного потока в порах с минеральными частицами. Для предупреждения перемещения, выноса частиц грунта (суффозия), силы фильтрационного потока должны быть меньше величины сцепления (прилипания) между частицами. Так как в составе связных пород преобладающими частицами являются кварцевые, то по данным исследований Б.В. Дерягина [4], общее уравнение притяжения («прилипания») одной частицы шаровидной формы к другой имеет вид:

                                                          (1)

где: r₁ и r₂ — радиусы частиц;

X (0) — величина поверхностной энергии материала частиц.

Величина X (0) для кварцевых частиц для водных растворов была экспериментально определена Б.В. Дерягиным и А.Д. Малкиной и оказалась равной X (0) ≈ 70 эрг/см². Аналогичное заключение получил Р.С. Бродлин [19]. При равенстве диаметра частиц в уравнении (1) сила молекулярного притяжения:

                                                                 (2)

где: d — диаметр частиц (агрегатов), см.

Если эту силу отнести к площади частицы, то напряжение молекулярного прилипания составит:

                                         (3)

Согласно уравнению (3), величина молекулярного притяжения между частицами диаметром 1 мм составит 0.0014 кг/см², а диаметром 0.001 мм — 1.4 кг/см². Экспериментальными исследованиями во ВНИИ ВОДГЕО установлено, что в расчеты следует вводить d=d₈₀ при влажности грунта, соответствующей влажности на границе текучести . Значение d₈₀ — это диаметр частиц связного грунта, соответствующий 80 % содержанию по кривой гранулометрического состава. К сожалению, полученные значения величины молекулярного притяжения характерны для грунтов нарушенной структуры. По данным испытаний Н.В. Ханьяновой на образцах ненарушенной структуры Кудиновской глины установлено, что значение сцепления на разрыв больше, чем на образцах нарушенной структуры в 4—5 раз.

При дренировании грунтов возможны следующие виды фильтрационных деформаций: суффозия, выпор, контактный выпор, отслаивание, контактный размыв.

Экспериментальными работами В.С. Истоминой со связными грунтами установлено, что в большинстве случаев частицы соединяются в агрегаты. Опыты по фильтрационным деформациям суглинков и глин показали, что деформации проходят большей частью не в виде отрывов отдельных частиц грунта, а отдельных агрегатов, связь между которыми из них меньше молекулярного сцепления между частицами.

Во ВНИИ ВОДГЕО были разработаны рекомендации по устройству обратных фильтров из песчано-гравийно-галечниковых грунтов со средним размером частиц (D₅₀) и коэффициента неоднородности зернового материала (D₆₀/D₁₀) для различных направлений фильтрационных потоков. Выполненные лабораторные работы по определению фильтрационных деформаций в образцах связных грунтов Сочинского региона (суглинки, глины) показали, что разрушение связных пород при фильтрации происходит также не в виде вымыва отдельных частиц, а отслаивания участков связного грунта.

В прошлом веке при строительстве дренажных систем для обратных фильтров использовались природные песчано-гравийно-галечниковые материалы. В начале 60-х годов XX века появились материалы из полимерных соединений и на основе каменного литья, которые обладали большой пористостью, значительными коэффициентами фильтрации, химической стойкостью и малым весом, технологичностью при производстве строительных работ. Были выполнены большие объемы исследовательских работ, разработаны рекомендации по их применению. Это привело к массовому использованию нетканных материалов взамен громоздких и нетехнологичных песчано-гравийных фильтров как в нашей стране, так и за рубежом. Исследования выполнялись как в лабораторных и натурных условиях. Создавались опытные стационары для наблюдения за динамикой изменения гидравлических характеристик работы дренажей во времени. Наиболее детально данные работы проводились в Австрии (Polifelt), республике Беларусь (Термопласт, Дорнит) для искусственного волокна на основе нити из полипропилена и Институте гидромеханики АН УССР (каменное литье, стеклянные и базальтовые волокна). Исследованиями установлено:

1.  Пористость изготавливаемых нетканых материалов различной толщины составляет 81—98 % в зависимости от сжимающих напряжений и диаметров волокон, плотность 250—450 кг/м³.

2.  Материал обладает достаточной прочностью. В особенности, это относится к изделиям из каменного литья.

3.  Состав пор в нетканном материале достаточно однородный. Самые крупные и самые малые поры занимают не более 10—15 % площади. Размер пор зависит от объемной массы, диаметра волокон и составляет при диаметре волокон 10—30 µm от 40 до 400 µm.

4.  Коэффициенты фильтрации нетканных материалов составляют от 50 до 5000 м/сутки в зависимости от величины сжатия.

По результатам выполненных экспериментальных работ в Институте гидромеханики АН УССР выведено уравнение для определения среднего диаметра пор фильтрующего волокнистого материала:

                                                 (4)

где: d_э.в. — диаметр нитей элементарного волокна;

γ_кр — критическая объемная масса фильтра (кг/м³);

l — экспериментальный коэффициент (принят равным l = 3.2);

γ_в — объемная масса материала волокна (кг/м³).

Большим пробелом в исследованиях является недостаточность информации по течению (реологии) материалов. Если для изделий из каменного литья, где деформации при малых нагрузках практически отсутствуют, это не имеет практического значения, то для материалов на основе нитей из полипропилена данная информация является ключевой.

Для определения кольматации волокнистых дренажных фильтров при использовании различных технологий выполнены опытные работы с использованием фильтрационных приборов диаметром 200 мм при нисходящей напорной фильтрации. Схемы фильтрации приведены на рис. 1 и рис. 2.

Рисунок 1. Схема фильтрации № 2 (с песчаной подушкой)

Рисунок 2. Схема фильтрации № 2 (без песчаной подушки)

Отличались они наличием и отсутствием песчаной подушки из мелкого песка на участке между исследуемым грунтом и волокнистым фильтром. Опыты проводились с использованием нетканных материалов на основе нитей из полипропилена («Дорнит», республика Беларусь) толщиной 1,5 мм, диаметром волокон 15 µm и базальтового волокна (теплоизоляционные маты, Украина) толщиной 1,5 мм, диаметром волокон 15 µm при давлениях 0,005—0,2 МПа, гидравлических градиентах 1—10.

Наблюдениями за контактной зоной грунт-мелкий песок, грунт-фильтр из нетканного материала с использованием микроскопа Микмед 2 с увеличением до х500 установлено, что точечное перемещение грунта происходит не в форме отдельных мелких частиц при фильтрационных деформациях, а в агрегатной форме в виде отслаивания. Учитывая размеры пор мелкого песка и материала фильтра, длина их перемещения является небольшой. Причем, оторвавшийся агрегат фильтрационным потоком может делиться и агрегатироваться с другими ранее оторвавшимися слоями. Эти агрегаты являются элементами формирующегося обратного фильтра. Поэтому становится понятной малая глубина проникновения агрегатов и частиц связных пород в поры обратного фильтра. Подавляющая часть этого материала скапливается на границе порода-фильтр, создавая агрегатированную массу, препятствующую дальнейшему развитию процессов не только отслаивания, но и возможной суффозии частиц мелких фракций. Проведенные экспериментальные работы по определению наличия в порах фильтра частиц и агрегатов исследуемых связных пород показали, что их фактически нет в волокнистых материалах глубже 1 мм (метод взвешивания, микроскопические исследования срезов дренажно-волокнистых материалов).

Выполненными работами установлено:

1.  Нетканные материалы на основе нитей из полипропилена и каменного литья обеспечивают задержание частиц и агрегатов связного грунта при исследованных градиентах.

2.  Глубина проникновения агрегатов частиц связного грунта вглубь фильтров из нетканных материалов составляет в основном до 1 мм.

3.  Задержанные на поверхности фильтра агрегаты грунта имеют длину 0,01—2 мм.

4.  Задержанный на фильтре материал является элементом формирующегося обратного фильтра, который задерживал другие агрегаты, оторванные от структуры связного грунта фильтрационным потоком.

5.  Фильтрационные деформации в связных грунтах развиваются, в основном, по способу отслаивания при небольшой глубине деформаций в грунтах.

6.  Максимальные потери напора фильтрационного потока наблюдались на участке порода-фильтр из нетканного материала. Для повышения эффективности работы дренажа в качестве технологического приема целесообразно устройство слоя песчаного материала вокруг фильтра толщиной 2—10 см из местных материалов. Засыпанный выше закладки горизонтального трубчатого дренажа, материал должен иметь коэффициент фильтрации больший связного грунта.

Учитывая материалы выполненных исследований, можно утверждать, что фильтры из нетканых материалов на основе нитей полипропилена и базальтового волокна могут эффективно использоваться для дренирования связных грунтов. Учитывая достаточность материалов исследований для оценки изменения характеристик дренажей во времени в различных природных условиях, предпочтения для устройства фильтров с длительным периодом эксплуатации следует отдавать материалу по совокупности дополнительных свойств: прочности, отсутствии течения во времени (реологические свойства). С учетом этих показателей преимущество находится на стороне материалов на основе каменного литья.

Список литературы:
1.    Абелев Ю.М. Основы проектирования и строительства на макропористых грунтах. Стройвоенмориздат, 1948 г.
2.    Дерягин Б.В. Исследования по внешнему трению и прилипанию, теория прилипания. «Журнал физической химии», т. VI, вып. 10, 1935 г.
3.    Викулова М.Ф. «Электромикроскопические исследования глин» Госгеолитиздат, 1952 г.
4.    Дерягин Б.В., Кротова Н.А., «Адгезия — исследования в области прилипания и клеящего действия», изд. АН СССР, 1949 г.