ДИНАМИКА  СВОЙСТВ  И  ДЕФОРМАЦИЙ  ЛЕССОВЫХ  ПОРОД  ПОД  ВОЗДЕЙСТВИЕМ  ТЕХНОГЕННОЙ  ФИЛЬТРАЦИИ

Садовенко  Иван  Александрович

д-р  техн.  наук,  проф.  кафедры  гидрогеологии  и  инженерной  геологии

ГВУЗ  “Национальный  горный  университет”,  Украина  г.  Днепропетровск

E-mail: 

Деревягина  Наталья  Ивановна

мл.  науч.  сотр.  кафедры  гидрогеологии  и  инженерной  геологии

ГВУЗ  “Национальный  горный  университет”,  Украина  г.  Днепропетровск

E-mail: 

DYNAMICS   OF  PROPERTIES  AND  DEFORMATIONS  OF  LOESS  SOILS  UNDER  THE  INFLUENCE  OF  TECHNOGENIC  FILTRATION

Ivan  Sadovenko

dr.  Sci.  (Tech.),  Professor  of  Hydrogeology  and  Engineering  Geology  department  State  HEI  “National  Mining  University”,  Ukraine  Dnepropetrovsk

Nataliya  Derevyagina

junior  research  fellow  of  Hydrogeology  and  Engineering  Geology  department

State  HEI  “National  Mining  University”,  Ukraine  Dnepropetrovsk

АННОТАЦИЯ

Проведена  серия  испытаний  лессовых  пород  с  целью  установления  механизма  протекания  перестройки  структуры  породы  при  фильтрации,  а  также  для  представления  количественного  характера  процесса  выноса  грунтового  материала  и  его  изменений  в  различных  условиях.  Оценены  изменения  структуры,  происходящие  при  этом,  а  также  установлен  механизм  образования  эрозионных  промоин  в  образцах.  Установлены  прогнозные  границы  перехода  суффозионных  процессов  в  эрозионные.  Получены  средние  значения  выноса  частиц,  а  также  их  гранулометрический  состав  для  Приднепровского  лессового  суглинка. 

ABSTRACT

Complement  series  of  loess  rocks  was  carried  out  to  identify  a  mechanism  of  the  rock  restructuring  in  the  process  of  filtration  and  to  demonstrate  qualitative  nature  of  gravel  and  sludge  evacuation  as  well  as  its  metamorphosis  under  various  conditions.  The  experiments  make  it  possible  to  evaluate  structure  changes  taking  place  during  the  process;  besides,  a  method  of  erosion  forming  is  identified.  Identify  prognostic  boundaries  for  transformation  of  suffusion  processes  into  erosion  ones.  Average  values  of  particle  removal  as  well  as  their  granulometric  composition  for  the  Dnieper  region  loess  soil  have  been  obtained. 

Ключевые  слова:  лессовые  массивы;  эрозионные  полости;  суффозия;  фильтрация.

Keywords:  loess  massif;  erosion  cavity;  suffusion;  filtration.

Введение.  В  пределах  грунтовых  лессовых  склонов  существуют  природные  предпосылки  для  развития  негативных  инженерно-геологических  процессов,  однако  активизация  их  развития,  концентрация,  частота  и  масштабы  определяются  действием  факторов  техногенного  происхождения.  Поскольку  наиболее  динамичным  фактором,  который  способен  активизировать  развитие  оползневых  процессов,  является  нарушение  гидродинамического  режима  территории,  то  целью  данной  работы  является  выявление  зоны  формирования  критических  источников  развития  механической  суффозии,  как  одного  из  факторов  развития  и  активизации  оползневых  процессов.

Основные  результаты.  В  работе  [1]  были  оценены  изменения,  происходящие  в  лессах  при  их  насыщении  и  фильтрации  техногенного  грунтового  потока.  По  результатам  экспериментов  в  приборе  трехосного  сжатия  была  установлена  инверсия  фильтрационной  анизотропии  лессов  в  сравнении  с  ее  природным  положением.  При  радиальной  нагрузке  σ₃  =  300  кПа  наблюдалась  суффозия,  переходящая  в  эрозионный  размыв  с  предваряющей  фазой  формирования  гидравлически  инертных  полостей.  В  связи  с  этим  была  проведена  серия  испытаний  лессовых  пород  для  детализации  механизма  протекания  перестройки  структуры  породы  при  фильтрации,  а  также  количественного  описания  характера  выноса  грунтового  материала  и  его  изменения  в  различных  условиях. 

Аналогично  [1]  в  процессе  испытаний  оценивалось  воздействие  на  грунт  фильтрационного  потока  в  направлении  сверху  вниз  и  параллельно  поверхностям  наслоений.  Образцы  лессовых  пород  четвертичного  возраста  балок  Тоннельная  и  Тополиная  (г.  Днепропетровск)  подвергались  режиму  трехосного  сжатия.  Для  того,  чтобы  уточнить  нагрузку,  при  которой  появляются  эрозионные  промоины,  геостатическое  давление  задавалось  в  диапазоне  250—300—350  кПа.  Гидравлический  градиент  в  образце  создавался  напором  20  кПа,  что  соответствовало  реальным  условиям  грунтового  массива.  Эксперимент  прерывался  при  установлении  затухающего  характера  объемных  изменений  в  образце  и  затухании  выноса  материала  или  возникновении  эрозионного  размыва  [2]. 

Первая  серия  испытаний  отвечала  условиям  фильтрации  по  схеме  сверху-вниз.  На  рис.  1  приведены  результаты  лабораторных  испытаний,  которые  показывают  изменение  объемной  деформации  во  времени.  Статистическая  достоверность  оценивается  значениями  R²=0,98…0,99.

Рисунок  1.  Результаты  испытаний  лессовых  пород  четвертичного  возраста  при  направлении  фильтрации  сверху-вниз:  250,  300,  350  кПа  —  радиальные  нагрузки

Отмечена  суффозия  с  небольшим  процентом  вынесенных  частиц  и  наибольшей  активностью  в  первые  часы  после  начала  фильтрации  (4—5  часов).  По  значениям  объемной  деформации  видно,  что  определенные  импульсы  выноса  материала  пришлись  на  период  до  2  часов  с  затуханием  в  течение  12  часов.  При  последующем  визуальном  обследовании  испытанных  образцов  нарушений,  каверн,  пустот,  а  также  видимых  зон  разрыхления  обнаружено  не  было.

Существенно  отличаются  результаты,  полученные  при  схеме  испытания  параллельно  напластованию  (рис.  2  а,  б).  Статистическая  достоверность  оценивается  значениями  R²=0,92…0,96.

Рисунок  2.  Результаты  испытаний  лессовых  пород  четвертичного  возраста  при  фильтрации  параллельно  напластованию  со  значением  геостатического  давления  250  кПа  (а),  300  кПа  (б)

Зафиксировано  количество  выходящих  частиц  во  время  опыта  и  проведен  гранулометрический  анализ  (по  Сабанину)  как  исходного,  так  и  вынесенного  породного  материала.  Видимые  изменения  образцов  показаны  на  рис.  3. 

Наиболее  интенсивный  вынос  частиц  (72  %  от  общей  массы  вынесенного  материала)  происходил  в  период  от  2,5  до  6,0  часов  от  начала  фильтрации.  В  большинстве  случаев,  на  этот  промежуток  времени  приходятся  заметные  изменения  значений  объемной  деформации  образца.  В  глинистых  грунтах  возникновение  суффозии  определяется  размерами  пор,  причем  в  лессах  прямыми  микроскопическими  исследованиями  Астапова  С.В.  выявлены  отдельные  поры,  диаметр  которых  может  превышать  0,01  мм.

Рисунок  3.  Эрозионные  нарушения  в  образцах  лессовых  пород  для  схемы  фильтрации  параллельно  напластованию

По  гранулометрическому  соотношению  выходящих  частиц,  а  также  их  периодичности  и  изменениям  объемных  деформаций  можно  сделать  вывод,  что  в  исследованных  лессовых  породах  имеет  место  отрыв  агрегатов  грунта,  а  не  отдельных  частиц.  Это  становится  возможным  за  счет  образования  микротрещин  (начиная  с  раскрытия  трещин  0,2—5,0  µ),  фильтрация  по  которым  подчиняется  гидравлическим  закономерностям  напорного  движения  воды  [3]  и,  соответственно,  начинается  процесс  размыва. 

Анализ  результатов  изменения  объемных  деформаций,  количественные  диапазоны  вынесенных  частиц,  а  также  визуальные  наблюдения  дали  возможность  выделить  прогнозную  зону  перехода  суффозии  в  стадию  размыва  и  образования  замкнутого  канала  с  инертной  стоковой  поверхностью  (рис.  4).

Выводы.  Серия  испытаний  фильтрационных  параметров  пород  проведенная  в  условиях  трехосного  сжатия  и  различных  значениях  нагрузок  и  направлениях  фильтрации,  показала,  что  при  фильтрации  в  вертикальном  направлении  эрозионные  процессы  не  формируются,  а  при  фильтрации  параллельно  напластованию  установлены  границы  перехода  суффозионных  процессов  в  эрозионные:  получены  средние  значения  выноса  частиц,  а  также  их  гранулометрический  состав  для  Приднепровского  лессового  суглинка  (2,8%  от  веса  образца).  Проведенные  испытания  являются  основой  для  прогнозирования  оползней  течения,  возникающих  при  техногенном  фильтрационном  нагружении  склонов.

Рисунок  4.  Обобщенные  результаты  испытаний  лессовых  пород  при  направлении  фильтрации  параллельно  напластованию:  250,  300  кПа  —  диапазоны  нагружения

Список  литературы:

1.Садовенко  И.А.,  Деревягина  Н.И.  Экспериментальные  исследования  суффозионных  и  эрозионных  деформаций  лессовых  пород  //  Вісник  Кременчуцького  національного  університету  імені  Михайла  Остроградського.  —  2013.  —  №  4  (81).  —  С.  126—131. 

2.Садовенко  И.А.,  Деревягина  Н.И.  Исследование  механизма  формирования  эрозионных  деформаций  лессовых  пород  //  Наукові  праці  УКРНДМІ  НАН  України.  Випуск  13  (частина  І).  Донецьк.  2013.  —  С.  339—345.

3.Ломизе  Г.М.  Фильтрация  в  трещиноватых  породах.  М.:  Госэнергоиздат,  1951.  —  127  с.