Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения
Експериментально встановлено існування навколо водопровідних споруд трьох зон з різною гідравлічною активністю. The existence around water conveyance structure of three zones with various hydraulic activity is experimentally established....
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33544 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения / С.Д. Гребенюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 95-102. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859612325195022336 |
|---|---|
| author | Гребенюк, С.Д. |
| author_facet | Гребенюк, С.Д. |
| citation_txt | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения / С.Д. Гребенюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 95-102. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Експериментально встановлено існування навколо водопровідних споруд трьох зон з різною гідравлічною активністю.
The existence around water conveyance structure of three zones with various hydraulic activity
is experimentally established.
|
| first_indexed | 2025-11-28T14:54:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск № 91 95
УДК 622.83
С.Д. Гребенюк, инж.
(ЗАО «Донецксталь - металлургический завод»)
ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
АКТИВИЗАЦИИ ГРУНТА В ОКРЕСТНОСТИ ЗАГЛУБЛЕННОГО
ВОДОПРОВОДЯЩЕГО СООРУЖЕНИЯ
Експериментально встановлено існування навколо водопровідних споруд трьох зон з різ-
ною гідравлічною активністю.
ELECTROMETRIC ESTIMATION OF HYDRAULIC ACTIVATION
OF A GROUND IN A VICINITY DEEPENED WATER CONVEYANCE
STRUCTURE
The existence around water conveyance structure of three zones with various hydraulic activity
is experimentally established.
Неотъемлемой частью наземных комплексов угледобывающих шахт явля-
ются гидротехнические сооружения, в том числе и заглубленные. Одним из ас-
пектов, определяющих их эксплуатационную надежность, является взаимо-
действие указанных сооружений с окружающей геосредой. Наличие техногенно
привнесенного элемента в геосреду изменяет как ее напряженное состояние,
так и важнейшие показатели физико-механических свойств среды. Во многих
случаях заглубленные гидротехнические сооружения располагаются ниже
уровня грунтовых вод и вносят возмущение в протекание естественных гео-
фильтрационных явлений в грунтовой толще. Наиболее эффективным методом
изучения состояния влагосодержащей среды в окрестности заглубленного гид-
ротехнического объекта является бурение шпуров с выполнением геофизиче-
ского каротажа и одновременный отбор проб грунта с последующим их иссле-
дованием в лабораторных условиях.
Натурный эксперимент по исследованию состояния грунтовой толщи в ок-
рестности водопроводящего сооружения (ВПС) был выполнен на шахтных во-
досбросах нижнего и верхнего прудов-отстойников шахты «Красноармейская-
Западная № 1». Каждый водосброс представляет собой комплекс из двух сек-
ционированных железобетонных труб круглого сечения диаметром 2 м. Окру-
жающие водосбросы породы представлены глинами.
Внешний вид водосброса нижнего пруда-отстойника представлен на рис. 1.
В центральной части каждой из труб водоводов сквозь ее оболочку был
пробурен шпур диметром 42 мм и длиной 3,5 м. На грунтовом разрезе были
отобраны пробы заоболочечного грунта для дальнейшего исследования в лабо-
раторных условиях.
В связи с неустойчивым состоянием шпуров несколько раз подряд было вы-
полнено их повторное перебуривание, а затем произведен геофизический каро-
таж. Опыт показывает, что наиболее эффективным геофизическим методом оп-
ределения состояния увлажненного грунта является электроразведка на пере-
менном токе низкой частоты [1, 2].
96 "Геотехническая механика"
Рис. 1 – Внешний вид водосбросного сооружения
со стороны выходного оголовка
Был использован четырехэлектродный симметричный шпуровой зонд в
комплекте с аппаратурой ШИИС -3М1 [3]. Аппаратура разработана в институте
геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины (дальше по тексту
ИГТМ НАНУ). Внешний вид комплекта представлен на рис. 2.
Рис. 2 – Аппаратура ШИИС-3М1 в комплекте со шпуровым зондом
Выпуск № 91 97
Схема выполнения шпурового каротажа грунтовой толщи в окрестности во-
допроводящего сооружения представлена на рис. 3.
Рис. 3 – Схема электрического каротажа прилегающей к тоннелю грунтовой толщи
с использованием симметричного четырехэлектродного зонда
При измерениях следует принимать во внимание наличие «мертвой зоны» в
начальной и конечной части шпура, обусловленной размерами зонда, а также
толщину железобетонной стенки ВПС, равную 0,2 м. Измерения могут быть
выполнены в пределах длины L, которая в нашем случае находится в интервале
от 0,7 до 3,2 м от устья шпура. Шаг измерений составлял 0,5 м.
Использовалась методика выполнения измерений, разработанная специали-
стами ИГТМ НАНУ для вертикальных шахтных стволов [4], ввиду значитель-
ного сходства указанных объектов. Первичные данные в виде совокупности
значений кажущегося электрического сопротивления R
к
пересчитывались в
значения общепринятого параметра – кажущегося удельного электрического
сопротивления ρ
к
.
Для каждого из шпуров были построена графическая зависимость между ве-
личиной ρ
к
. и глубиной шпура l в заоболочечном пространстве с началом отсче-
та на границе оболочки и окружающей ВПС среды. Совокупность указанных
зависимостей представлена на рис. 4.
Под категорию глин подпадает широкий спектр горных пород, существенно
отличающихся физическими свойствами. Поэтому для конкретного объекта
существуют свои конкретные геологические особенности, которые должны
учитываться при эксплуатации ВПС. В лабораторных условиях была определе-
на зависимость между влажностью W отобранных проб глины и ее удельным
электрическим сопротивлением ρ. Определение влажности выполнялось мето-
дом высушивания до постоянной массы в соответствии с ГОСТ 5180-84 [5].
Для определения электрического сопротивления глины на различных этапах
увлажнения использовали методику, определяемую ГОСТ 25494-82. [6]. По ре-
зультатам лабораторных исследований была получена графическая зависи-
мость, представленная на рис. 5.
A
L
M N B
98 "Геотехническая механика"
1 – левая верхнего водосброса, 2 – правая верхнего водосброса,
3 – левая нижнего водосброса, 4 – правая нижнего водосброса
Рис. 4 – Изменение кажущегося удельного электрического сопротивления глины
по мере удаления от оболочки водопроводящего сооружения
1 – экспериментальная зависимость; 2 – аппроксимирующая кривая
Рис. 5 – Зависимость удельного электрического сопротивления глины от ее влажности
1
Расстояние от оболочки l, м
У
д
е
л
ь
н
о
е
с
о
п
р
о
ти
в
л
е
н
и
е
ρ
л
,
О
м
•
м
2 3 4
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
У
д
е
л
ь
н
о
е
с
о
п
р
о
ти
в
л
е
н
и
е
ρ
, О
м
•
м
Влажность W, %
1 2
120
100
80
60
40
20
0
10 15 20 25 30 35 40 45
Выпуск № 91 99
Экспериментально полученная зависимость между влажностью глины и ее
удельным электрическим сопротивлением может быть с удовлетворительным
приближением описана степенной функцией вида
ρ = а W-n,
где: а = 31263; n = -2,16.
С использованием графиков, представленных на рис. 4, а также уравнения
(1) были построены зависимости изменения влажности глины по мере удаления
от контура каждой из труб в грунтовый массив. Они представлены на рис. 6.
Аппроксимирующие зависимости показаны пунктирными линиями.
а) – левая труба верхнего водосброса; б) – правая труба верхнего водосброса
в) - левая труба нижнего водосброса; г) - правая труба нижнего водосброса
Рис. 6 – Изменение влажности приконтурной зоны
в зависимости от расстояния до оболочки трубы
Представленные графически на рис. 6 закономерности изменения влажности
по мере удаления от оболочки трубы удовлетворительно описываются обрат-
ной логарифмической зависимостью вида
W = -a ln l +b.
(1)
В
л
а
ж
н
о
с
т
ь
W
, %
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Расстояние от оболочки l, м
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
В
л
а
ж
н
о
с
т
ь
W
, %
Расстояние от оболочки l, м
Расстояние от оболочки l, м
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
В
л
а
ж
н
о
с
т
ь
W
, %
Расстояние от оболочки l, м
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
В
л
а
ж
н
о
с
т
ь
W
, %
а) б)
в) г)
(2)
100 "Геотехническая механика"
Значения коэффициентов, входящих в выражение (2) для различных труб
приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Коэффициенты, входящие в зависимость (2) для различных труб
Труба Коэффициент a Коэффициент b
левая верхнего водосброса 12,6 32,2
правая верхнего водосброса 10,8 28,2
левая нижнего водосброса 12,0 30,8
правая нижнего водосброса 10,6 28,6
В лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ 5180-84 были определе-
ны значения параметров, определяющих консистенцию глины. Граница раска-
тывания глины соответствует влажности Wp = 27%, а граница текучести -
влажности WL = 45 %. По указанным данным согласно ГОСТ 25100-95 [7] были
также получены значения показателя текучести IL глинистого грунта на раз-
личных расстояниях от оболочки. По результатам визуального наблюдения за
процессом бурения непосредственно за оболочкой имеется вода в свободном
состоянии, поэтому влажность глины может быть принята за 100 %. Вычислен-
ные значения показателя текучести по четырем шпурам, а также обобщающие
усредненные величины определяемого параметра приведены в табл. 2.
Таблица 2 – Изменение показателя текучести в глинистой среде
при удалении от оболочки труб водосбросов
Показатель текучести IL для приконтурной зоны труб во-
доводов
Расстояние
от оболочки
l, м левой
верхнего
правой
верхнего
левой
нижнего
правой
нижнего
усредненные
значения
0 4,90 4,90 4,90 4,90 4,90
0,5 0,80 0,47 0,80 0,60 0,67
1,0 0,33 0,13 0,20 0,10 0,19
1,5 0 0 0,10 -0,10 0
2,0 -0,20 -0,40 -0,33 -0,47 -0,35
2,5 -0,40 -0,67 -0,47 -0,63 -0,51
3,0 -0,60 -0,80 -0,67 -0,67 -0,69
В механике грунтов общепризнанной является классификация состояния
глин и суглинков по величине показателя текучести [8, 9], которая приведена в
табл. 3.
Таблица 3 – Характеристики состояния глин и суглинков
по величине показателя текучести
Величина показателя текучести IL Характеристика состояния
меньше 0 твердые
от 0 до 0,25 полутвердые
от 0,25 до 0,50 тугопластичные
от 0,50 до 0,75 мягкопластичные
от 0,75 до 1 текучепластичные
свыше 1 текучие
Выпуск № 91 101
На основании вышеприведенных табл. 2 и 3 построена усредненная графи-
ческая зависимость изменения показателя текучести по мере удаления от обо-
лочки водовода вглубь глинистого массива с выделением характерных его со-
стояний. Она представлена на рис. 7.
1 – текучее, 2 – текучепластичное, 3 – мягкопластичное,
4 – тугопластичное, 5 – полутвердое, 6 – твердое
Рис. 7 – Изменение состояния глинистого массива
с увеличением расстояния от трубы водовода
Вышеприведенные зоны характеризуют состояние грунтового глинистого
массива, но не отражают механизма взаимодействия частиц грунта с водой. Ав-
тором предложена укрупненная зональность состояния увлажненной среды во-
круг выработки, которая, по его мнению, носит более универсальный характер,
поскольку может быть применена у к любым типам грунтов, а не только к гли-
нистым. Выделяется три зоны, отражающие степень гидроактивации грунта:
- гидроразрыхленная;
- связно-нарушенная увлажненная;
- монолитно-диффузионная.
Гидроразрыхленная зона характеризуется возможностью свободного пере-
мещения частиц воды относительно частиц грунта под влиянием градиента
давления. Ее можно отождествить с зоной текучести.
Монолитно-диффузионная зона предполагает диффузию, как основной ме-
ханизм направленного перемещения частиц воды в сторону меньшей ее кон-
5
3,0
П
о
ка
за
те
л
ь
т
е
ку
ч
е
с
ти
I L
Расстояние от оболочки l, м
1 2 3 4 5 6
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
4
3
2
1
0
-1
102 "Геотехническая механика"
центрации. Этот механизм характерен для полутвердого и твердого состояния.
Связно-нарушенная увлажненная зона занимает промежуточное положение
и характеризуется смешанным механизмом перемещения воды в грунтовой
среде. Применительно к глинистым породам она определяет их пластическое
состояние.
Для указанных зон в табл. 4 приведен сводный набор параметров примени-
тельно к конкретному объекту – грунтовой толще в окрестности водосбросных
сооружений шахты «Красноармейская-Западная № 1». Отметим, что для друго-
го объекта часть параметров может иметь в пределах указанных зон другие
значения.
Таблица 4 – Значения показателей физических свойств грунта
для зон с различной степенью гидроактивации
Зона
Границы l,
м
Сопротивление
ρк, Ом • м
Влажность W,
%
Показатель
текучести IL
гидроразрыхленная 0 – 0,4 меньше 8,4 45 – 100 больше 1
связно-
нарушенная,
увлажненная
0,4 – 0,7 8,4 – 16,4 33 – 45 0,25 – 1,0
монолитно-
диффузионная
свыше
0,7
больше
16,4
меньше
33
меньше
0,25
Рассмотренные выше результаты получены для объекта, который уже дли-
тельное время находился в эксплуатационном состоянии. Они могут быть слу-
жить в качестве ориентира для установившегося режима взаимодействия ВПС с
окружающей геосредой, как при интерпретации результатов полевых измере-
ний, так и при выполнении компьютерного моделирования
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жданов М.С. Электроразведка. Учебник / М.С. Жданов. М.: Недра, 1986. - 316 с.
2. Якубовский Ю.В Электроразведка: Учебник для вузов / Ю.В. Якубовский, И.В. Ренард - М: Недра,
1991.- 359 с.
3. Усаченко Б.М. Научные и приборные разработки для геофизической экспресс-диагностики состояния
шахт, карьеров и гидротехнических сооружений. / Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, Т.А Паламарчук, В.Н. Сер-
гиенко // Горный вестник Узбекистана. - № 2. – С. 84 – 86.
4. Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь-породный массив" вертикальных
стволов. Дополнение к РД 12.18.073-88 / А.Ф.Булат, Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, В.Н. Сергиенко, С.И. Ски-
почка, Т.А. Паламарчук и др. - Донецк: Лебедь, 1999.- 44 с.
5. ГОСТ 51180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
6. ГОСТ 25494-82. Породы горные. Метод определения удельного электрического сопротивления.
7. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.
8. Малышев М.В. Механика грунтов. Основания и фундаменты / М.В. Малышев, Г.Г. Болдырев - М.: Изд.-
во ассоциации строительных вузов, 2004. – 328 с.
9. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений / П.Л. Иванов - М.: Высшая школа,
1985. – 352 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33544 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T14:54:58Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гребенюк, С.Д. 2012-05-28T16:11:50Z 2012-05-28T16:11:50Z 2010 Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения / С.Д. Гребенюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 95-102. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33544 622.83 Експериментально встановлено існування навколо водопровідних споруд трьох зон з різною гідравлічною активністю. The existence around water conveyance structure of three zones with various hydraulic activity is experimentally established. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения Electrometric estimation of hydraulic activation of a ground in a vicinity deepened water conveyance structure Article published earlier |
| spellingShingle | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения Гребенюк, С.Д. |
| title | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения |
| title_alt | Electrometric estimation of hydraulic activation of a ground in a vicinity deepened water conveyance structure |
| title_full | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения |
| title_fullStr | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения |
| title_full_unstemmed | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения |
| title_short | Электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения |
| title_sort | электрометрическая оценка гидравлической активизации грунта в окрестности заглубленного водопроводящего сооружения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33544 |
| work_keys_str_mv | AT grebenûksd élektrometričeskaâocenkagidravličeskoiaktivizaciigruntavokrestnostizaglublennogovodoprovodâŝegosooruženiâ AT grebenûksd electrometricestimationofhydraulicactivationofagroundinavicinitydeepenedwaterconveyancestructure |