Представляем вниманию читателей немного сокращенный адаптированный перевод статьи египетских инженеров-геологов «Эксперименты по снижению давления набухания сланцев города Табук (Саудовская Аравия)» (Embaby et al., 2017), которая была в свое время опубликована издательством WASET в журнале International Journal of Geological and Environmental Engineering («Международном журнале по инженерной геологии и инженерным методам охраны окружающей среды»). Эта работа находится в открытом доступе по лицензии CC BY-SA 3.0, которая позволяет распространять, изменять, дорабатывать, переводить, адаптировать и дополнять ее при условии указания лицензии, типов изменений и ссылки на первоисточник. В нашем случае полная ссылка на источник для представленного перевода (Embaby et al., 2017) приведена в конце.
В Королевстве Саудовская Аравия в населенных районах есть несколько территорий, сложенных склонными к набуханию сланцами в виде слоев переменной толщины. Развитие набухания и давления набухания этого вида сланцев может вызвать серьезные проблемы для инфраструктуры. Для слабонагруженных сооружений и неглубоко заложенных фундаментов очень популярно удаление таких грунтов и замена их на более подходящие. В данной статье представлены результаты экспериментального исследования, проведенного для оценки влияния типа и толщины замещающих грунтовых подушек на снижение характеристик набухания рассматриваемых сланцев.
В районе Аль-Кадисия города Табук на севере Саудовской Аравии было отобрано 7 ненарушенных образцов склонных к набуханию сланцев. Определенная доля каждого образца по высоте заменялась сверху двумя типами подушек из достаточно крупнозернистых материалов (песка или гравия) разной толщины, равной 22, 33 и 44% от исходной высоты сланца в образце (в полевых условиях это был бы процент от мощности активной зоны набухающего сланца). Результаты испытаний показали, что замена сланца на подушку снижает потенциал и давление набухания. Было установлено, что уменьшение набухания зависит от типа и толщины такой подушки. Удаление исходного сланца и замена его на песчаную подушку толщиной 44% снизило набухание и давление набухания примерно на 53,29 и 62,78% соответственно.
В засушливых и полузасушливых регионах, где годовое испарение превышает годовое количество осадков, встречаются грунты, набухающие от влаги. Опасности, вызванные такими грунтами, имеются во многих странах мира, включая Америку, Австралию, Канаду, Индию, Иран, Мексику и Южную Африку [1]. Склонность грунтов к набуханию называют скрытым бедствием, поскольку стоимость ущерба в случае ее реализации превышает совокупную стоимость ущерба от таких стихийных бедствий, как наводнения, землетрясения и ураганы [2]. Размер ущерба от набухания грунтов составляет, например, 7 млрд долларов в год в США [3] и 300 млн долларов за 1977–1987 годы в Саудовской Аравии [4].
Набухающие сланцы Саудовской Аравии привлекли широкое внимание ряда исследователей [5–10]. Они встречаются на многих территориях этой страны, охватывая основные зоны ее центральной, северной и северо-западной частей. Глинистые и илистые сланцы были обнаружены на территориях городов Табук, Аль-Гат, Тайма, Медина, Аль-Хуфуф, Шарура и Аль-Джауф [11–14]. Сланцы являются основными набухающими грунтами в таких районах города Табук, как Аль-Кадисия, Аль-Масиф, Аль-Рауда (рис. 1) [15–19].
Рис. 1. Расположение города Табук и его районов Аль-Кадисия, Аль-Масиф и Аль-Рауда на картах (внизу – на основе снимка со спутника Landsat 8, 2015 г.)
Существуют различные методы уменьшения набухания грунтов верхней части разреза, вызывающего выпучивание поверхности земли, для предотвращения повреждения зданий и сооружений. Меры по уменьшению таких воздействий были обобщены и описаны разными авторами [1, 20–25]. Среди методов уменьшения последствий набухания грунтов наиболее известным стал метод удаления подобных грунтов и замены их на ненабухающие для строительства легконагруженных сооружений и неглубоко заложенных фундаментов благодаря своей эффективности и доступности [26]. В работах [27–29] предполагается, что давление набухания изменяется обратно пропорционально толщине слоя песка (песчаной подушки), на который заменили верхнюю часть набухающего грунта, и прямо пропорционально плотности этого песка.
Авторы работы [30] провели исследование по оценке эффективности различных мер по устранению или уменьшению последствий набухания и минимизации повреждения дорожных покрытий. Они обнаружили, что для снижения вертикальных смещений покрытия эффективна замена земляного полотна ненабухающим материалом.
Позже метод удаления и замены склонных к набуханию грунтов был использован в разных штатах США, таких как Калифорния, Техас и Колорадо [31]. Этот метод оказался успешным при ремонте некоторых гидротехнических сооружений с целью снижения гидростатического (взвешивающего) противодавления. Был проведен ремонт на канале Фриан-Керн [32] и каналах Могавк и Велтон путем выемки верхней части набухающего грунтового основания и замены его на песок и слегка уплотненный гравий [33]. Этот метод также использовался для уменьшения набухания глины за счет удаления ее толстого слоя и замены его на ненабухающий материал для повышения нагрузки на нижележащую набухающую глину. Хольц [33] также отметил, что неравномерные смещения поверхности уменьшаются при наличии гравийного слоя, заменяющего набухающий грунт.
В настоящем исследовании предпринята попытка изучить эффективность влияния замещающей подушки из песка или гравия для уменьшения или устранения последствий возможного набухания сланцев города Табук (Саудовская Аравия). Для этого были проведены лабораторные испытания семи ненарушенных образцов этих сланцев.
Город Табук расположен в северо-западной части Саудовской Аравии в пределах 27,5–28,5° с. ш. и 36,0–7,0° в. д. (см. рис. 1). Район Аль-Кадисия – очень важный район Табука, где находится множество государственных и частных зданий (жилых домов, школ, университетов, больниц и т. д.). Это один из наиболее пострадавших районов от опасного набухания грунта. Там имеются трещины в стенах и других конструкциях многих зданий, в ограждениях, автомобильных дорогах, тротуарах и пешеходных дорожках (рис. 2).
Рис. 2. Некоторые последствия набухания сланцев на территории города Табук (Саудовская Аравия): а, б – трещины и разрушения в стенах домов; в, г – трещины в ограждениях; д, е – трещины на пешеходных дорожках (расхождение плиток); ж, з – трещины на автомобильных дорогах 
По данным бурения скважин, верхняя часть грунтового разреза на территории города Табук разделена (рис. 3) на четыре слоя (сверху вниз);
Рис. 3. Примерная верхняя часть разреза города Табук (Саудовская Аравия)
Некоторые из указанных слоев представлены на одних территориях и отсутствуют на других. Например, в таких районах города Табук, как Аль-Кадисия или Аль-Масиф, отсутствуют верхние два слоя и здания построены непосредственно на сланцах, которые являются набухающими грунтами, характерными для этого региона.
Подготовка образцов
Ненарушенные образцы сланцев были взяты из разведочного шурфа с поперечным сечением 2 м x 4 м, выкопанного на глубину 1 м от поверхности сланцев с помощью экскаватора производства компании Poclain в районе Аль-Кадисия города Табук (Саудовская Аравия). Поверхность сланцев, от которой копали, предварительно была очищена от рыхлых материалов. Внутрь сланцев под действием гидравлического давления плавно и осторожно были введены 7 цилиндрических пробоотборников (далее – форм). Вокруг последних был вынут грунт, после чего поднимались наверх сами пробоотборники с монолитами внутри. Монолиты в этих формах выравнивали с обеих сторон, помещали на перфорированную основу, покрывали воском и хранили при температуре 25 °С во влажной камере в геотехнической лаборатории.
Свойства сланцев
Были измерены и проанализированы физические, геотехнические и минералогические свойства образцов сланцев (таблица 1, рис. 4). Они состояли преимущественно из пылеватых (примерно 68,6%), глинистых (около 27,9%) и песчаных (примерно 3,5%) по размеру зерен. Согласно Унифицированной системе классификации грунтов (Unified Soil Classification System – USCS) этот грунт классифицируется как тугопластичный илистый (ML) сланец. Среднее природное содержание влаги в образцах составляло около 3,2%. Средние предел текучести LL, предел пластичности PL, индекс пластичности PI и предел усадки SL составляли 44, 35, 13 и 16% соответственно. Активность сланца и свободное набухание были 0,6 и 19% соответственно.
Результаты испытаний на пределы Аттерберга и свободное набухание (таблица 1) показали, что исследуемые сланцы обладают потенциалом набухания от низкого до среднего [34–38]. Активная зона расположена в пределах общей толщины сланцев, на которые влияют изменения в содержании влаги [39]. На исследуемой территории мощность этой зоны колеблется от 2 до 3,5 м.
Таблица 1. Свойства сланцев района Аль-Кадисия города Табук (Саудовская Аравия)
Рис. 4. Результаты количественной оценки минералогического состава набухающих сланцев на территории района Аль-Кадисия города Табук (Саудовская Аравия) рентгеноструктурным методом
Оценка минералогического состава изученных сланцев была проведена с использованием рентгеноструктурного (рентгенодифракционного) анализа (см. рис. 4). Рентгенограммы показали, что преобладающими минеральными составляющими исследованных сланцев являются каолинит и небольшое количество иллита (см. таблицу 1, рис. 4). Но не прослеживается такой глинистый минерал с расширяющейся решеткой, как монтмориллонит.
Свойства материалов, предназначенных для замещения набухающих грунтов
Для частичной замены образцов набухающих сланцев использовались два разных типа подушек из достаточно крупнозернистых материалов (из песка и из гравия) разной толщины. Свойства и гранулометрический состав этих материалов приведены в таблице 2 и на рисунке 5. Средние (медианные) размеры частиц песка и гравия составляли 0,15 и 7,22 мм соответственно. И песок, и гравий были хорошо сортированными (то есть плохо градуированными, поскольку большинство их частиц были примерно одинакового размера). В соответствии со стандартами Американской ассоциации должностных лиц государственных дорожных и транспортных служб (AASHTO) материалы подушек были классифицированы как гранулированные, относящиеся к группам А-3 и А-1-а для песка и гравия соответственно.
Таблица 2. Свойства материалов подушек, заменяющих набухающие сланцы
Рис. 5. Гранулометрический состав материалов (песка и гравия) подушек, замещающих набухающие сланцы
Оборудование для испытаний и их методика
При испытании, по существу, напрямую измерялся вертикальный подъем верхней поверхности образца сланца, помещенного под дополнительную нагрузку и контактирующего с водой внутри формы. При лабораторных испытаниях использовались семь форм с образцами (диаметром 15 см и высотой 30 см) с перфорированным основанием. Испытания на набухание и на компрессионное сжатие проводились для семи форм с ненарушенными образцами сланцев в следующей последовательности:
Рис. 6. Испытания на набухание семи ненарушенных образцов сланцев в цилиндрических формах: а – до испытаний в трех формах сверху была заменена определенная доля сланцев на песчаные подушки разной толщины (22, 33 и 44% от исходной высоты сланца в образце); б – в трех других формах были выполнены аналогичные замены на гравийные подушки; в – один образец остался без замены (для контроля и сравнения); г – после предварительной подготовки все семь форм с образцами погрузили в резервуар с водой и закрепили на них циферблатные индикаторы набухания с ценой деления 0,01 мм 
Процент изменения (уменьшения или увеличения) величины любой характеристики набухания (например, высоты образца) оценивали путем сравнения ее значений до и после испытания, как описано в работе Эль-Холи [24]:
Рис. 7. Развитие набухания испытанных образцов во времени, представленном в логарифмическом масштабе, при замене определенной доли сланцев сверху на подушки разного типа и разной толщины (в % от исходной высоты образца сланца)
Таблица 3. Набухание, давление набухания и влажность образцов сланцев после испытаний
Рис. 8. Влияние толщины и типа замещающей подушки на уменьшение набухания и давления набухания сланца из района Аль-Кадисия города Табук (Саудовская Аравия)
Замена сланца на песчаную подушку снижает потенциал набухания больше по сравнению со слоем гравия. Относительное уменьшение набухания при песчаной подушке толщиной 33% от исходной высоты образца сланца и при гравийной подушке толщиной 44% практически одинаково и составляет 44,5 и 46,5% соответственно.
Давление набухания исходного ненарушенного образца сланца, составляющее 2,23 кгс/см2, может быть уменьшено до 0,83 кгс/см2 (см. таблицу 4) при песчаной подушке толщиной 44%. Следовательно, наилучшим выбором для снижения набухания и давления набухания из рассмотренных вариантов является использование замещающей подушки из песка толщиной 44% от исходной высоты образца сланца.
Набухание и давление набухания (кгс/см2) уменьшаются сильнее за счет увеличения толщины заменяющего материала, а также при использовании для замены песка по сравнению с гравием.
В полевых условиях давление набухания исходного сланца, равное 2,23 кгс/см2, может быть уменьшено до 0,83 кгс/см2 с помощью замены его верхней части на песчаную подушку толщиной 1,5 м при максимальной мощности активной зоны 3,5 м (указанной в таблице 1).
1. Величина давления набухания сланца из района Аль-Кадисия города Табук (Саудовская Аравия), полученная в результате лабораторных испытаний, составила 2,23 кгс/см2. Это значение предлагается использовать при проектных расчетах для строительства на конкретной территории, рассматриваемой в настоящей статье. В случае легких строений нагрузки от их собственного веса составляют менее 2,23 кгс/см2. И тогда рекомендуется заменять склонные к набуханию сланцы подушками из мелкого или среднего песка толщиной 1,5 м для снижения давления набухания до 0,83 кгс/см2. Это значение также предлагается применять для проектных расчетов при строительстве на рассматриваемой территории.
2. При использовании подушек из песка/гравия для замены склонных к набуханию сланцев следует соблюдать осторожность, поскольку песок и гравий являются водопроницаемыми грунтами и не препятствуют проникновению воды в подстилающие их сланцы, а это может привести к набуханию последних. Поэтому рекомендуется устанавливать горизонтальный пластиковый барьер поверх песчаной/гравийной подушки, чтобы исключить просачивание воды через нее в залегающие ниже грунты.
3. Кроме того, рекомендуется использовать замену склонных к набуханию сланцев подушкой из мелкого или среднего песка, который в изобилии имеется в Саудовская Аравии. Стоимость применения песчаных подушек может быть более экономичной по сравнению с другими типами замен или стабилизации сланцев, поскольку для этого не требуется специальная строительная техника (например, дисковые бороны, смесители, распределители, распылители или др.).
—
Исследование, представленное в данной статье, было проведено для подготовки магистерской диссертации на факультете естественных наук Университета Дамиетты (г. Дамиетта, или Думъят, Египет). Авторы выражают большую признательность профессору и доктору наук Ахмеду Базалу (Ahmed Basal) за многолетнее сотрудничество и плодотворные научные дискуссии. Авторы также очень благодарны доктору наук Абеду Эль Кариму (Abed El Kareem) и инженеру Хикмату Эль Росттуму (Hikmat El Rosttum), владельцу компаний Soil & Foundation Co. (Safco) и Geotechnical & Environmental Co. (Geco) за предоставление лабораторного оборудования для геотехнических испытаний.
ИСТОЧНИК ДЛЯ ПЕРЕВОДА (SOURCE FOR THE TRANSLATION)
Embaby A.A., Abu Halawa A., Ramadan M. An experimental study to mitigate swelling pressure of expansive Tabuk shale, Saudi Arabia // International Journal of Geological and Environmental Engineering. World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET), 2017. Vol. 11, № 1. URL: https://publications.waset.org/10006392/an-experimental-study-to-mitigate-swelling-pressure-of-expansive-tabuk-shale-saudi-arabia.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АВТОРАМИ ПЕРЕВЕДЕННОЙ СТАТЬИ (REFERENCES USED BY THE AUTHORS OF THE TRANSLATED PAPER)
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку