При проектировании грунтовых плотин необходимо знать физико-механические (геотехнические) свойства грунтовых материалов, приготавливаемых из местных грунтов карьеров или полезных выемок гидросооружений (последнее обычно предпочтительнее).

В грунтовых плотинах свойства грунтов можно регулировать, изменяя их зерновой состав, влажность, метод укладки (послойная статическая или вибрационная укатка, наброска без укатки, отсыпка в воду), которые определяют плотность укладки грунтов и как следствие, их прочность, деформируемость и водопроницаемость.

В грунтовых плотинах глинистый грунт обычно используют в водоупорных элементах (ядре или экране), в нашем случае в ядре. В плотину глинистый грунт стремятся укладывать при оптимальной влажности W_{on т}, при которой при выбранном методе уплотнения (тип катка, число его проходок, толщина слоя) достигается максимальная плотность сухого грунта γ_сух^макс. В общем случае W_{on т} грунта зависит от типа катка и числа его проходок. В нашем случае W_{on т} =10,68%. .

Оптимальную влажность глинистого грунта определим методом Проктора (стандартного), т.к у нас легкий каток.

Согласно методу Проктора (табл.6.6) грунт испытывают в лаборатории на уплотнение ударной нагрузкой. Опыты проводят в стальном цилиндре диаметром 100, 150 и 350 мм в зависимости от максимальной крупности частиц грунта (соответственно, 20, 32 и 60 мм), в который укладывают последовательно 3 или 5 слоев грунта и утрамбовывают его падающим грузом массой, соответственно, 2,5, 4,5 и 15 кг. Число ударов и высота падения груза подобраны так, чтобы интенсивность уплотнения 1 м³ грунта по стандартному Проктору была эквивалентна легким каткам, а по модифицированному Проктору - тяжелым каткам.

Допустимое значение плотности сухого глинистого грунта γ_сух при укатке можно приближенно определить по формуле (6.69 Приложения 6.12):

Определение плотности сухого грунта:

γ_сух = γ_ч γ_в (1 - V) / (γ_в + W_расч γ_ч) = 2,7*1 (1-0,04) / (1+11,68*2,7) = 1,9 т/м³

где γ_ч - плотность частиц грунта (т/м³); γ_в - плотность воды; V - объем защемленного в грунте воздуха в долях 1,0 (в глине 0,03, суглинке 0,04, супеси 0,05, лёссе 0,07); W _расч - расчетная влажность грунта (в долях 1,0).

Обычно в каменно-земляных плотинах 1 и 2 классов расчетное значение плотности глинистого грунта при укатке γ_сух^расч принимается не менее γ_сух^макс по стандартному Проктору.

Вместо формулы (6.69) для определения γ_сух^макс суглинистых грунтов каменно-земляных плотин можно использовать корреляционную зависимость (6.70), полученную по натурным данным в виде:

γ_сух^макс = 1,44 + 0,88 ln [γ_ч/ (1+e _Т)] = 1,44+0,88 ln [2,7/ (1+0,675)] =1,86 т/м³

W _Т = W_пл. + W_p = 7+18=25%

Тогда e _Т = γ_ч W _Т = 2,7*0,25= 0,675

γ_ч/ (1+e _Т) - плотность сухого грунта при влажности W _Т.

Определение оптимальной влажности грунта

W_опт = 11,83 ln (e_опт W_Т) + 37,07,% = 11,83 ln (0,43*0,25) +37,07= 10,68%

e _опт = (2,75 - 1,86) / 1,86 =0,45

Определение коэффициента фильтрации для плотины

По формуле Жарницким В.Я. для коэффициентов фильтрации суглинков ряда каменно-земляных плотин в следующем виде:

k _ф =0,574 [e/ (P_{<5 мм} W _Т)] ^3,22 10^-7, см/с

k _ф =0,574 [0,42/ (0,63* 0,25)] ^3,22 10^-7 = 1,35* 10^-6 см/с

Определение расчетных параметров.

На основе этих исследований был обоснован безразмерный эквивалент физических параметров - обобщенный коэффициент физических характеристик обломочно-пылевато-глинистого грунта М_τ в качестве меры связей физических характеристик с механическими. Безразмерный эквивалент грунта М_τ определяется как:

М_τ = p ₁ [ I_P (1+ I_L)] / p ₂

где р₁ - процентное содержание заполнителя (частицы <2 мм) в грунте; р₂ - то же, обломков (частицы ≥2 мм); I_P - число пластичности заполнителя; I_{L -} показатель текучести заполнителя.

М_τ = p ₁ [ I_P (1+ I_L)] / p ₂ =0,63 [0,07 (1+0,25)] /0,37=0,15

Нормативные значения углов внутреннего трения крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с крупными включениями при консолидированном срезе φ_{п (}град) определяют по степенной зависимости:

φ_п = k ₁ k_φ 46,0 (0,3) ^M _τ

где k ₁ - коэффициент окатанности обломков для угла φ_п грунтов с окатанными обломками k ₁; для грунтов с острыми обломками k ₁ =1; k_φ - коэффициент, учитывающий прочность обломков; М_τ - физический эквивалент грунта.

k ₁=0,88

φ_п = k ₁ k_φ 46,0 (0,3) ^M _τ =0,88*1*46* (0,3) ^0,15 =33,79

Нормативные значения сцепления крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с обломками для схемы консолидированного среза С _n (кПа) определяют по формуле:

С _n = k ₂ k_γ 79,0 М_τ^0,32/ (1 + I_L) ^3,62

где k ₂ - коэффициент окатанности обломков для сцепления: для грунтов с окатанными обломками, k ₂=0,9.

С _n = k ₂ k_γ 79,0 М_τ^0,32/ (1 + I_L) ^3,62=0,9*1,1*79*0,15^0,32/ (1+0,25) ^3,62=18,64КПа≈1,9т/м²

Нормативные значения модулей деформации Е, МПа, крупнообломочных грунтов с пылевато-глинистым заполнителем и пылевато-глинистых грунтов с обломками определяют по формуле:

E = k_E k_L k_{p (E)} / (0,07 М_τ + 0,017)

где М_τ - физический эквивалент грунта; k_E - коэффициент, учитывающий прочность крупных обломков; k_L - коэффициент, зависящий от процентного содержания обломков Р₂ и показателя текучести пылеватого или глинистого заполнителя I_L; k_{p ( E ) -} коэффициент, учитывающий плотность грунта, принимается в зависимости от соответствия фактической плотности грунта γ _ф, т/м³, ее нормированным значениям γ_n .

γ_n = k_s γ_n1=2,16

E = k_E k_L k_{p (E)} / (0,07 М_τ + 0,017) =1*0,75*1,05/ (0,07*0,15+0,017) =29,78