Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Закономерности изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов Анапского района Краснодарского края

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов Анапского района Краснодарского края"

На правах рукописи

АХШОСТИН Олег Евгеньевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ АНАПСКОГО РАЙОНА КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

] ноя 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург - 2013

005538004

Работа выполнена на кафедре геоэкологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - Семячков Александр Иванович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой геоэкологии

Официальные оппоненты : Катаев Валерий Николаевич,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Пермский государственный национальный исследовательский университет, заведующий кафедрой динамической геологии и гидрогеологии

Подкорытова Лидия Ивановна,

кандидат геолого-минералогических наук, ЗАО «Уральский трест инженерно-строительных изысканий», заместитель генерального директора

Ведущая организация - Южно-Российский государственный технический

университет (НПИ), г. Новочеркасск

Защита состоится 05 декабря 2013 г. в 14 30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.04, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (3-й учебный корпус, конференц-зал, ауд. 3326).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 28 октября 2013 г. Учёный секретарь диссертационного совета ^^^-¿^^Абатурова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На перспективной застройке территорий Краснодарского края основанием большинства вновь строящихся объектов служат грунты четвертичных отложений, обладающих специфическим свойством просадочности. Градостроительный кодекс РФ относит работы по инженерным изысканиям к видам деятельности, которые оказывают влияние на безопасность объектов капитального строительства. Следовательно, все грунты, в том числе специфические, обладающие просадочными свойствами, относятся к одному из важных факторов при строительстве, реконструкции и эксплуатации зданий и сооружений, влияющих на безопасность человека. Оптимизация количественных показателей лабораторного определения характеристик просадочности имеет важное значение, так как позволяет точнее определить эти характеристики.

Вопросами изучения свойств специфических просадочных фунтов занимались многие учёные, которые внесли огромный и неоценимый вклад в познание по исследуемой тематике: Ананьев В. П., Алфёров В. С., Болдырев Г. Г., Бондарик Г. К., Воронов Ф. И., Воронин А. М., Галай Б. Г., Денисов Н. Я., Зиангиров Р. С., Кригер Н. И., Крутов В. И., Ларионов А. К., Ломтадзе В. Д., Минервин А. В., Приклонский В. А., Сергеев Е. М., Трофимов В. Т., Швецов Г. И. и др.

В Анапском районе, отмечено существенное изменение природной влажности просадочных грунтов. Однако действующий ГОСТ 23161-78 «Грунты, метод лабораторного определения характеристик просадочности» не предусматривает обработку грунтов с влажностью, соответствующей наиболее засушливому периоду года. Следовательно, уточнение характеристик просадочности, в том числе в лабораторных условиях, является актуальной задачей.

Связь темы диссертации с государственными программами. Работа выполнялась в соответствии с разработанными Минрегионом РФ и Национальным объединением изыскателей (НОИЗ) проекта строительными нормами и правилами (СП 47 13330.2012 Актуализированная редакция СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения-актуализация) и публичным его обсуждением (ст.12 ФЗ «О техническом регулировании» (Объект свода правил, коды ОКС 93.010, 0.740, 0.760, 13.080.20,13.080.40)).

Объект исследования. Грунты, обладающие просадочными свойствами, которые являются основанием зданий и сооружений в строительстве, в горной и других отраслях промышленности.

Предметом исследований являются физико-механические свойства просадочных грунтов, которые определяют устойчивость зданий и сооружений.

Идея работы заключается в определении закономерностей изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов и усовершенствовании методики определения характеристик просадочности в лабораторных условиях.

Цель работы - получение данных по просадочным грунтам для повышения надёжности оснований зданий и сооружений.

Задачи исследований:

1. Оценка инженерно-геологических особенностей определения характеристик просадочности.

2. Установление основных показателей, влияющих на изменение проса-дочных свойств грунтов I типа грунтовых условий по просадочности (I ТГУП), для получения достоверных результатов характеристик просадочности.

3. Определение зависимостей между характеристиками физико-механических свойств просадочных грунтов.

4. Предварительное определение характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов.

5. Усовершенствование методики определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых» в лабораторных условиях с учетом минимальной влажности грунта.

6. Разработка методики подготовки к компрессионному испытанию третьего образца грунта с применением вакуум-камеры.

Методы исследований. Поставленные задачи решались анализом и систематизацией данных литературных источников инженерно-геологических материалов по просадочным грунтам. Лабораторные определения выполнялись в аттестованных лабораториях. Обработка материалов лабораторных работ выполнялась с использованием компьютерных программ, разработанных при непосредственном участии автора.

Научная новизна работы:

1. Определены зависимости физико-механических свойств (ФМС) просадочных грунтов I типа грунтовых условий по просадочности (I ТГУП) на территории Анапского района.

2. Установлена взаимосвязь изменения характеристик просадочности с годовым процессом влагонасыщения и дегидратации фунтов в Анапском районе.

3. В качестве предварительного показателя по физическим свойствам грунтов определена величина начального просадочного давления.

Практическая ценность работы. Предложена методика «трех кривых» лабораторного определения характеристик просадочности в дополнение к существующему ГОСТ 23161-78, которая внедрена в СРО НП «КубаньСтройИзыскания».

Предложена методика определения характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов.

Разработана компьютерная программа по определению характеристик просадочности (ХП).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением апробированных и усовершенствованных методик, а также сходимостью результатов статистической обработки и лабораторных испытаний.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации рекомендованы к внедрению саморегулируемой организацией НП СРО

«КубаньСтройИзыскания». Результаты работы использовались при

производстве инженерно-геологических изысканий:

- газопровод высокого и среднего давления в ст. Вышестеблиевская, Темрюкского района, октябрь 2010 г.;

- торгово-развлекательный комплекс «Красная площадь» в г. Анапа, декабрь 2010 г.;

- комплекс административных, торговых и складских помещений в г. Анапа, август 2011 г.;

- расширение кирпичного завода ООО «Славянский кирпич» в г. Славянск-на-Кубани. Строительство цеха мощностью 140 тыс. тонн в год, декабрь 2011 г.;

- три 19- этажных жилых дома по ул. Рождественской в г. Анапа, август 2012 г.;

- газопровод высокого давления в п. База Темрюкского района, декабрь 2012 г.;

- спортивный комплекс с плавательным бассейном в ст. Павловская, февраль 2013 г.;

- гостиничный комплекс в пос. Супсех Анапского района, март 2013 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы -

докладывались :

- на третьей международной научной конференции «Проблемы геологии полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (г. Новочеркасск, 2002 г.);

- конференции «Моделирование, теория, методы и средства» (г. Новочеркасск, 2003 г.);

- конференции «Проблема геологии полезных ископаемых и рационального недропользования» (г. Новочеркасск, 2004 г.);

- конференции некоммерческой организации «КубаньСтройИзыскания» по автоматизации обработки данных инженерных изысканий (г. Краснодар, 2010 г.);

- конференции некоммерческой организации «КубаньСтройИзыскания» «Лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов. Современная выпускаемая аппаратура» (г. Краснодар, 2011 г.);

- Всероссийской конференции «Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» (г. Новочеркасск, 2012 г.);

- научном семинаре факультета гражданской защиты ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г. Екатеринбург, 2012 г.);

- общем годовом собрании членов СРО НП «КубаньСтройИзыскания» (г. Краснодар, 2013 г.).

Личный вклад автора заключается :

- в накоплении и сборе лабораторных данных, систематизации материалов изысканий и статистической обработке показателей просадочных свойств грунтов I ТГУП;

- усовершенствовании методики лабораторного определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых»;

- определении функциональных связей показателей просадочных свойств грунтов I ТГУП;

- разработке и внедрении стандартов организации СРО ,,НП «КубаньСтройИзыскания»: «Метод определения характеристик просадочно-

сти по физическим свойствам грунтов», «Метод лабораторного определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых»;

- разработке и внедрении в составе рабочей группы стандарта организации СРО НП «КубаньСтройИзыскания» «Карты инженерно-геологические и разрезы инженерно-геологические. Требование к содержанию, построению и оформлению»;

- разработке компьютерной программы для обработки данных в составе программного комплекса по инженерно-геологическим изысканиям.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 работ, в том числе 2 в ведущих рецензированных научных журналах, входящих в перечень ВАК, выпущено 2 стандарта организации СРО НП «КубаньСтройИзыскания».

Структура и объём. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения. Содержание работы изложено на 137 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков, 32 таблицы, 43 формулы. Библиографический список содержит 182 наименования. Приложение содержит 3 расчета классификаций многомерных наблюдений программой АГАТ-2; 3 таблицы физико-механических свойств: общей выборки, летней и зимней; 7 инженерно-геологических разрезов.

Первая глава посвящена обзору и анализу существующих научных разработок по специфическим просадочным грунтам.

Во второй главе рассмотрены условия формирования и проведен анализ закономерностей изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов I ТГУП, выявлены закономерности изменения физико-механических свойств с изменением влажности, выбраны лабораторные характеристики физико-механических свойств просадочных грунтов в качестве признаков их совокупной оценки для определения ХП на примере грунтовых условий Анапы и Анапского района (ГУАР).

В третьей главе проведен анализ изменения физико-механических свойств по периодам увлажнения просадочных фунтов, приведены функциональные зависимости предварительного определения ХП грунтов I ТГУП по их физическим свойствам на примере ГУ АР.

В четвертой главе приведена количественная оценка лабораторного определения ХП, представлена усовершенствованная лабораторная методика по схеме «трёх кривых».

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю заведующему кафедрой геоэкологии, профессору, доктору геолого-минералогических наук А. И. Семячкову.

Особую благодарность и признательность автор выражает заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии, профессору, доктору геолого-минералогических наук О. Н. Грязнову и доценту кафедры, доктору геолого-минералогических наук И. В. Абатуровой.

Автор благодарит заведующего кафедрой оснований и фундаментов Кубанского государственного аграрного университета, профессора, доктора геолого-минералогических наук К. Ш. Шадунца и главного геолога СЕВКАВТИСИЗа А. Н. Батурину.

Автор признателен за оказанную помощь и поддержку в работе генеральному директору Некоммерческого партнерства СРО «КубаньСтройИзыскания» Т. П. Хлебниковой.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Формирование на территории г. Анапа и Анапского района пылевато-глинистых дисперсных грунтоо со специфическими инженерно-геологическими особенностями определяет характерные для региона закономерности изменчивости их физико-механических свойств. Выбор предикторов для определения характеристик просадочности грунтов I типа грунтовых условий по просадочности обуславливается оценкой тесноты их взаимосвязи.

Город Анапа и Анапский район составляют городской округ, который расположен в юго-западной части Краснодарского края. Инженерно-геологические условия округа весьма сложные и характеризуются большой контрастностью и расчленённостью рельефа, высокой тектонической активностью, пестротой и частотой выклинивания приповерхностных отложений, сложными гидрогеологическими условиями (рис. 1).

Из большого разнообразия отложений (ГОСТ 25100 Грунты. Классификация) на рассматриваемой территории следует выделить специфические просадочные грунты IТГУП, которые занимают ~ 20 % всей её площади, что выше на 5-10 %, чем в среднем по стране. В Российской Федерации просадочные грунты распространены преимущественно в аридных зонах с 42-й по 55-ю параллель, на Урале - в лесостепных и предгорных зонах Оренбургской и Челябинской областей, на юго-востоке Свердловской области.

Изучаемая разновидность грунтов в Западно-Кубанской части Краснодарского края распространена:

- в регионе Западно-Кубанского прогиба, в подобласти террасированных и аккумулятивно-эрозионных равнин, в районах водораздельных поверхностей и их склонов и в районах долин рек равнинного типа в делювиальных, реже в аллювиальных отложениях;

- в регионе антиклинальной зоны Керченско-Таманского прогиба, в области возвышенных и холмистых равнин, в районах понижений и склонах возвышенных равнин, в подрайонах распространения эолово-делювиальных и делювиальных отложений;

- в регионе Абино-Гунайской зоны, в области структурно-денудационных холмисто-грядовых возвышенностей, в районах водораздельных поверхностей их склонов, в подрайонах покровных отложений делювиального, элювиально-делювиального и аллювиального генезиса;

Рис. 1. Карта инженерно-геологических и гидрогеологических условий городского округа Анапа (Анапский район). Составитель ЗАО «СевКавТИСИЗ», 2005 г. Карта откорректирована с учётом работ, выполненных Ахлюстиным О. Е.

Условные обозначения к карте инженерно-геологических и гидрогеологических условий условий городского округа Анапа (Анапский район). М 1:100 000

Категории грунтов по сейсмическим свойствам

| С« альмае осодочк!»» грунты и-.-мого «сарвег», в теп •»К1»: страчтрвфс-гече""-««* юишиссы а полос« рог»*!** •лиииски^мо парой эт» груигах эго»впы«>« Йгй ), этооллсюог/юомяьиви «С )„ ап»»мал1.ж>-*оаг»овв«и*м (»ей ). «олповивлию-делювяатлы» )ин даимЛ

- в регионе Новороссийско-Лазаревской зоны, в области структурно-денудационной холмисто-грядовой низкогорной зоны, в районе пологонаклонных склонов, в подрайоне делювиальных и делювиально-пролювиальных отложений.

Минералогический состав просадочных грунтов представлен в основном монтмориллонитом - широко распространенным минералом, относящимся к группе смектитов, подкласса слоистых силикатов, и имеющим непостоянный химический состав, сильно зависящий от варьирующего содержания воды:

M^CAl^Mg^Si.O^ltOH), -пН2о, где М* - межслоевые катионы.

Кремнекислый коэффициент, Ki = Si02/Al203, составляет 4.5.

Физико-механические свойства просадочных грунтов Анапского района изменяются в широких пределах и определяются составом и условиями осадконакопления. Они представлены классом дисперсных, относятся к группе связных, подгруппе осадочных, по типу - к минеральным, по виду - к глинистым грунтам. Их физические свойства изменяются: по числу пластичности (//>) от 0,04 до 0,24 д. ед. (супеси, суглинки, глины), по плотности сухого грунта (рJ) от 1,16 до 1,76 г/см3, по коэффициенту пористости (е) от 0,53 до 1,34 д. ед. Влажность грунтов (IV) изменяется от 0,06 до 0,29 д.ед., степень влажности (Sr) от 0,19 до 0,86 д.ед., плотность при естественной влажности (р) от 1,40 до 2,06 г/см3, гранулометрический состав (Грс), фракция мм < 0,005, от 14 до 49 %, коэффициент фильтрации (Кф) от 0,05 до 0,22 м/сут. Механические свойства: компрессионный модуль деформации при естественной влажности (Ек) изменяется в пределах от 1,5 до 10,5 МПа; в водонасыщенном состоянии (Ек) 01 1,1 ДО 4,8 МПа; характеристики просадочносги: относительная просадочность грунта при нагрузке 0,3 МПа (srf 0,з) изменяется от 0,010 до 0,140, начальноепросадочноедавление/*,/-от0,01 до0,30МПа.

При выполнении инженерно-геологических изысканий обратил на себя внимание тот факт, что на однотипных по грунтовым условиям площадках (а иногда на одних и тех же) в разные периоды влагонасыщения просадочных грунтов изменялись и их физико-механические свойства, такие как показатель текучести (IL, д. ед.), Sr, р, показатель уплотнённости (Kd), показатель предварительной оценки просадочных грунтов (/„), уплотнённость грунта (а, МПа"1), Ек, и характеристики просадочносги: ss;0j3 и Pst.

Точность лабораторного определения физико-механических свойств просадочных грунтов, и в частности характеристик просадочносги, с учётом периодов увлажнения, имеет большое значение при проектировании конструкций зданий (сооружений). Для обработки и анализа данных просадочных грунтов I ТГУП были собраны материалы изысканий прошлых лет (266 проб), выполненные «СевКавТИСИЗ», другими организациями. Материалы объединены, статистически обработаны с помощью программного комплекса «АГАТ-2» (автор Гавришин А. И., ЮРГТУ, г. Новочеркасск) и представлены в табл. 1.

Таблица 1

Статические характеристики, матрица парных коэффициентов корреляции показателей грунтов I ТГУП

Анапского района

Показатели X 5 V Коэффицисшы корреляции

IV IV/. к 5г Р Р. /) е /о Л, а ЕК Л/ С,; о.з

0,154 0,209 1,36 1,00 0,10 -0,18 -0,17 -0.15 0,20 0,28 0,35 0,32 -0,05 -0,32 -031 0,04 0,09 0,15 -0,10 0,10 0,20 -0,19

IV, % 17,2 3,69 0,21 0,10 1,00 0,57 0,51 0,50 0,81 0,81 0,35 -0,17 0,20 0,21 0,20 0,37 0,44 0,32 -0,46 0,09 0,32 -0,46

т, % 33,2 5,25 0,16 -0,18 0,57 1,00 0,81 0,93 0,20 0,27 -0,08 -0,39 0,38 0,44 0,45 0,59 0,57 0,04 -0,08 о.оо -0,01 0,00

К, % 18,6 2,32 0,12 -0,17 0,51 0.81 1,00 0,54 -0,04 0,20 -0,14 -0,42 0,24 0,44 0,45 039 0,42 0,00 -0,01 0,13 0,01 -0,02

/Л % 14,6 3,63 0,25 -0,15 0,50 0,93 0,54 1,00 0,32 0,26 -0,03 -0,30 0,40 0,36 0,36 0,60 0,55 0,06 -0,10 -0,08 -0,02 0,01

к, Д- е. -0,115 0,263 2,30 0,20 оз1 0,20 -0,04 0,32 1,00 0,77 0,44 0,02 0,11 0,00 0,00 0,23 0,26 0,35 -0,49 0,00 0,33 -0,45

5У, д. е. 0,546 0,127 0,23 0,28 0,81 0,27 0,20 0,26 0,77 1,00 0,80 0,41 0,10 -0,38 -0,38 0,54 0,58 0,12 -0.31 0.29 0,54 -0,61

р, г/см3 1.71 0,104 0,06 0,35 035 -0,08 -0,14 -0,03 0,44 ило 1,00 0,86 -0,02 -0,85 -0.Я4 0,56 0,57 -0,16 -0,03 0,39 0,55 -0,57

Ра г/см' 1,46 0,086 0,06 0,32 -0,17 -0,39 -0,42 -0,30 0,02 0,41 0,86 1,00 -0,13 -0,99 -0,99 039 0,36 -о.зз 0.22 0,36 0,41 -0,36

р„ г/см 2,71 0,027 0,01 -0,05 0,20 0,38 0,24 0,40 0,11 0,10 -0,02 -0,13 1.00 0,15 0.15 0,24 0,23 0,03 -0,04 -0,04 -0,01 0,01

и, % 46,2 3,22 0,07 -0,32 0,21 0,44 0,44 0,36 0,00 -0,38 -0,85 -0,99 0,15 1,00 1,00 -034 -0,32 0,33 -0,23 -0,36 -0,39 0,35

е, д.ед. 0,866 0,111 0,13 -0,31 0,20 0,45 0,45 0,36 0,00 -0,38 -0,99 0,15 1,00 1,00 -0,33 -0,31 0,34 -0,22 -0,35 -0,38 0,36

К* д.ед. 0,035 0,361 10,30 0,04 0,37 0,59 0,39 0,60 0,23 0,54 0,56 0,39 0,24 -0,34 -0,33 1.00 0,77 -0,23 0,11 0,29 0,28 -0,23

4» Д-ед. 0,017 0,085 5,00 0,09 0,44 0.57 0,42 0,55 0,26 0,58 0,57 0,16 0,23 -0,32 -«31 0,77 1,00 -0,18 0,06 0,31 0,32 -0,32

а, 1/МПа 0,318 0.193 0,61 0,15 0,32 0,04 0,00 0,06 0.35 0,12 -0,16 -0,33 0,03 0,33 0,34 -0,23 -0,18 1,00 -0,74 -0,46 -0,22 -0,05

Ек, МПа 4,80 2,38 0,50 -0.10 -0,46 -0.08 -0,01 -0,10 -0,49 -0,31 -0,03 0,22 -0,04 -0,23 -0,22 0.11 0,06 -0,74 1,00 0,39 0,02 0,17

Яь?,МПа 2,18 0,883 0,41 0,01 0,09 0,00 0,13 -0,08 0,00 0,29 0,39 0.36 -0,04 -0,36 -035 0,29 031 -0.46 0,39 1,00 0,55 -0,55

Р,/, МПа 0,077 0,063 0,82 0,20 0,32 -0,01 0,01 -0,02 0,33 0,54 0,55 0,41 -0,01 -0,39 -038 0,28 032 0,22 0,02 0,55 1,00 -0,68

6.5/0,3 0,045 0,028 0,62 -0,19 -0,46 0,00 -0,02 0,01 -0,45 -0,61 -0,57 -0,36 0,01 0,35 0,36 -0,23 -0,32 -0,05 0,17 -0,55 -0,68 1,00

Примечание. X - средние выборочные значения; 5 - среднсквадратачсскос отклонение; У - коэффициент вариации; ^ Н - логарифм глубины отбора образцов; остальные показатели расшифрованы выше по тексту.

Получены низкие значения стандартов по большинству показателей и, соответственно, низкие значения коэффициентов вариации за счет слабой изменчивости частных значений и небольших их отклонений от нормативных.

Минимальной изменчивостью обладают такие показатели как р и р^ при V = 0,06, р, при V = 0,01, п (V = 0,07) и е (V - 0,13). У показателей, характеризующих состав грунта, изменчивость выше. Так, например, изменчивость показателя 1р составляет 500 % при V = 0,25. Выше значения стандартов и, соответственно, коэффициентов вариации, у таких физических показателей, как Грс, Кмеханических показателей а, Ек, и характеристик просадочности 83; 0,з и Рз/. При этом минимальное значение V = 0,41 у , максимальное V = 0,82 у Р^. Максимальное отклонение частных значений от нормативных у Р1/, показания которого изменяются в 30 раз (от 0,01 до 0,30). Показатель текучести /£ зависит от состава и состояния грунта Коэффициент вариации его составил 2,30, при среднем значении Х= —0,115, максимальном-Л'тах = 0,25 и минимальном -Хпап = -2,00 (д. ед). На изменчивость приведенного показателя существенное влияние оказывает природная влажность грунта Ж, которая варьируется в выборке в пределах от 6 до 25 %.

Больший интерес представляют такие физические показатели, как гранулометрический состав и коэффициент фильтрации грунтов и их зависимости с показателями физических свойств. Для анализа приведенных показателей были собраны материалы, систематизированы и сведены в табл. 2. Коэффициент фильтрации К® в сравнении с остальными физическими показателями представлен наименьшим количеством наблюдений - 9. В табл. 2 выборочно приведены физические свойства грунтов, соответствующие месту определения коэффициента фильтрации КФ.

Гранулометрический состав просадочных грунтов представлен повышенным содержанием фракции 0,1 - 0,01 мм. Эта фракция играет основную роль в структуре и устойчивости грунтов и является их каркасом. Сопоставление физических показателей грунтов по гранулометрическому составу (по Охотину В. В.) и по числу пластичности показывает их совпадение.

Таблица 2

Физические показатели просадочньге грунтов _

Название грунта IV, % //>, % е Содерж. < >ракций % Кф, м/сут

0,1-0,01мм < 0,005мм

Легкий суглинок 12 8 0,75 9 14 0,22

15 11 0,84 9 19 0,17

Тяжелый суглинок 16 12 0,86 12 17 -

17 13 0,83 17 15 0,13

18 14 0,86 20 21 013

18 15 0.87 19 26 011

17 16 ■ о;8б 22 22 0,11

18 17 0,89 27 38 О!О8

Легкая глина 20 19 0,93 30 49 0,07

22 22 0,92 26 41 0,05

Примечание. АЛф - коэффициент фильтрации в грунтах в горизонтальном направлении м/сут.

С изменением физических показателей изменяются и фильтрационные свойства просадочных грунтов (табл. 3). Свойства анизотропии просадочных грунтов отражаются на показателе коэффициента фильтрации КФ. Так, фильтрационная способность просадочных грунтов в вертикальном направлении (по глубине) приблизительно в 10 раз выше, чем в горизонтальном. Из сопоставления гранулометрического состава и коэффициента фильтрации видно, что с увеличением содержания глинистой фракции уменьшается коэффициент фильтрации просадочных грунтов.

В целях определения тесноты и характера связи приведенных показателей гранулометрического состава Грс, коэффициента фильтрации КФ и физических показателей состава 1р, е и состояния (V просадочных грунтов проведена их статистическая обработка, которая представлена в виде корреляционной матрицы (см. табл. 3).

Таблица 3

Парные коэффициенты корреляции гранулометрического состава и

Показатели Грс, %, фр.<0,005 мм Кф, м/сут

W, % 0,43 -0,69

1р, % 0,82 -0,98

е, д. ед. 0,65 -0.47

Характерной для дисперсных грунтов является тесная корреляционная связь числа пластичности /р с показателями гранулометрического состава Грс (г = 0,82) и коэффициентом фильтрации Аф {г - - 0,98). Прямая корреляционная зависимость 1Р от Грс представлена уравнением 1Р = 7,88 + 0,27 Грс.

Зависимость влажности W от гранулометрического состава грунта Грс имеет умеренную связь: rw . Грс = 0,43, что подтверждает незначительное влияние гранулометрического состава на состояние грунта

Взаимосвязь коэффициента пористости е от гранулометрического состава Грс средняя, корреляционная связь ге _ Грс =0,65. Уравнение зависимости коэффициента пористости от глинистой фракции гранулометрического состава имеет вид:

е = 0,772 + 0,004 ' Грс .

Обратная зависимость коэффициента пористости с и фильтрации Кф со слабой корреляционной связью г = - 0,47 характерна для просадочных грунтов, так как в выборке просадочных грунтов с увеличением 1Р увеличивается е.

Корреляционная зависимость между гранулометрическим составом и коэффициентом фильтрации обратная: гТрс. кф = - 0,73. Корреляционная связь между характеристиками просадочности (Psl и Ss, 0,з) является обратной, линейная зависимость (г = - 0,68) - средняя. Линия корреляционного поля для общей выборки получена путем приведения частных значений Psi и в*/ о,з к нормальному закону распределения и представлена уравнением

-2,83-l,091ges;o з

!'si = 10 ' , при этом парный коэффициент корреляции с г = - 0,82

при стандартной ошибке А = 0,035.

Для анализа корреляционной связи и зависимости характеристик просадочности (es; о,з и Psi) от физических и физико-механических показателей построен ряд множественных уравнений регрессий. При этом в качестве факторных признаков выбраны показатели с максимальным информационным весом и низкой внутренней (межфакторной) корреляционной связью. С этими критериями программным комплексом «АГАТ-2» выбраны варианты, представленные в табл. 4.

Табличные критические значения критерия Фишера при уровне значимости q = 0,05 и q = 0,01 (0,05/0,01) составили для четырех признаков FTa6l = 2,41 и 3,41; для трёх признаков - FTa6jl = 2,64 и 3,88 соответственно. Таким образом, все варианты уравнений множественной регрессии значимы с вероятностью 99 %.

Таблица 4

Основные предикторы физико-механических свойств грунтов для совокупной оценки характеристик просадочности

W, % !р, Д. ед. Sr, Д. ед. РА г/см3 е, Д. ед. Avs МПа R множ. А ошибка F факт

s.ii 0,3 1 + + + + 0,753 0,019 80,86

2 + + + + 0,754 0,019 81,36

3 + + + 0,721 0,020 89,48

4 + + + 0,722 0,015 90,02

5 + + + 0,665 0,021 65,54

6 + + + 0,663 0,021 64,84

Psi 1 + + + + 0,681 0,047 53,40

2 + + + + 0,680 0,047 53,11

3 + + + 0,684 0,046 72,68

4 + + + 0,682 0,046 71,89

5 + + + 0,557 0,053 37,18

6 + + + 0,573 0,052 40,41

Примечание. Я — множественный коэффициент корреляции; А ошибка - стандартная ошибка коэффициента регрессии.

Наибольший интерес, по мнению автора, представляют зависимости с показателями прямых лабораторных испытаний и значимых расчётных:

е.,,03 = 16>02 • Ю"3-48,11 IV- 10"" + 13,27/р- 1<Г* + 106,38е- 10"3; Б»; 0,3=0.30-48,14 IV- 10"4 + 15,62 /Р- 10"4 - 133,98 р^- 10"3; Р;1 = 18,00- 10"2+ 77,27 И'- Ю4- 15,261Р- 10^-247,48 е ■ 10"3; Р,1 =-51,06- 10"2+77,47 IV- 10"4- 19,42/р- 10"4 + 33,09 10"2;

о,з= 25,19- 10"2- 42,98 IV- 10^+ 1,2310'3- 85,15 р^- 10"3- 12,35 ■ 10"3; Ра =-21,76- 10"2 + 18,92 10'2 + 88,14 ра- 10"3+28,96 £кв • 10"3

В множественном уравнении регрессии зависимости е5/ о,з от физико-механических свойств грунтов, максимальный коэффициент корреляции

г = 0,754, что подтверждает наличие тесной связи относительной просадочности с показателями \¥, 1Р, рА , при этом коэффициенты эластичности составили (табл. 5).

Таблица 5

Показа- Ej/0 3,% Pa

тели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12

Ев к 0,65 0,61 0,63 0,62 - - 0,84 0,80 0,81 0,82 - -

PJ 4,09 2,82 0,17 - - 4,40 5,04 4,15 1,43 - - 6,25

W 1,69 1,65 - - 1,86 1,86 1,49 1,44 - - 1,72 1,72

Sr - - 1,31 1,30 - - - - 134 1,37 - -

Ip - 0,45 - - 0,44 0,51 - 0,29 - - 0,29 037

е - - - 0,17 2,07 - - - - 0,55 2,77 -

/» 0,03 - - - - - 0,02 - - - - -

С изменением влажности W % грунтов на 1 % £,/ о з изменится на 1,65 -1,86 %, a Ps! - на 1,44 - 1,72 %.

Таким образом, аналитический, математический анализы подтвердили, что имеет место влияние изменения влажности (W %) грунтов на показатели физических и механических свойств грунтов I ТГУП, в т. ч. и на характеристики просадочности (£*/о,з> Psi)-

2. Закономерности изменения показателей физико-механических свойств грунтов I типа грунтовых условий по просадочности определяются годовъти процессами инфильтрации и иашрения. Достоверность результатов лабораторных определений просадочных грунтов I типа грунтовых условий по просадочности обеспечивается оценкой изменчивости их влажности.

Согласно климатическому микрорайонированию, по СНиП 23-01-99 территория Анапского района относится к климатической зоне III Б, для которой характерен умеренно континентальный климат, в южной части, на побережье Черного моря, - с чертами Средиземноморского.

Атмосферные осадки являются одной из основных характеристик климата Важнейшими факторами, определяющие режим осадков, являются циркуляция воздушных масс и орогидрографические особенности территории. Годовой ход осадков характеризуется преобладанием их количества в холодные месяцы года (XI—III всего 445 мм), тогда как в тёплый период (TV-X) они составляют 480 мм. Но месячный максимум приходится на август - 150 мм. Этот пик осадков, по данным многолетних наблюдений на метеостанции г. Анапа является результатом ливней при суточном максимуме до 90 мм (рис. 2, кривая 1). Однако, например, 7 июля 2012 года в результате катастрофических ливней суточный максимум достиг 300 мм.

123456789 10 11 12 мес'

года

Рис. 2. Осредненное помесячное распределение осадков и естественной влажности грунтов на всей выборке глубин отбора образцов

Закономерность режима увлажнения грунтов зависит от внутренних и внешних факторов. Полагаясь на влияние внешних факторов, можно заключить, что увлажнение грунтов определяется обильным их питанием в зимний период, когда инфильтрация составляет приблизительно 60-70 % от количества осадков, испарение - 30-40 %, при выпадении за сезон (Х1-Ш) приблизительно 50 % годовых осадков.

В тёплый период года доля инфильтрационного питания уменьшается до 5-10 %, а испарение в совокупности с транспирацией составляет 90-95 %. Кривая естественной влажности грунтов (см. рис. 2, кривая 2) в целом повторяет линию осадков, с максимальным сезонным изменением влажности 5,7 %, при этом относительное изменение составляет 40 %.

В табл. 6 представлены средние величины характеристик грунтов с влажностью, соответствующей периодам увлажнения: летнем}', при 1¥<\8 %; зимнему, при №>18 %, и среднегодовому значениям, Ж— 17,2 %.

Таблица 6

Средние значения показателей физико-механических свойств грунтов

Группа показателей наблюдений Ж »1 (Гр ь к йг Р Ра Рг п е К/ а Як Ж' к Рм е^о.з

Все 0,118 17,2 33,2 18,6 14,6 -0,115 0,546 1,71 1,46 2,71 46,2 0,866 0,035 0,017 0,32 4,80 2,18 0,077 0,045

Для IV > 18% 0,163 20,1 34,9 19,2 15,7 0,059 0,631 1,74 1,45 2,71 46,5 0,872 0,131 0,042 0,38 3,82 2,23 0,092 0,031

Для IV < 18% 0,140 14,4 31,0 17,7 13,3 -0,274 0,460 1,67 1,46 2,70 46,0 0,858 -0,069 -0,014 0,26 5,70 2,06 0,055 0,058

Примечание. Оранжевым цветом выделены физико-механические характеристики, которые изменяются с сезонным изменением влажности грунтов, зеленым - характеристики, остающиеся неизменньми при сезонном изменении влажности.

Дня анализа изменений физико-механических свойств грунтов, соответствующих зимнему и летнему периодам увлажнения, из общей выборки результатов составлены две корреляционные матрицы (табл. 7). За условную границу разделения общей выборки по влажности принято её среднее значение, равное 17,2 %.

Анализ данных позволил установить, что с изменением влажности грунта изменяется и ряд показателей, таких как: IL, Sr, Kj, Iss, ¡¿к, a, s.,/ 0,3, Psi, при относительном постоянстве р</, п, е, , /,.

Результаты табл. 6-7 показали незначительные сезонные колебания корреляционных зависимостей показателей физико-механических свойств грунтов, подтвердив, что в целом это устойчивые линейные годовые зависимости. При разделении корреляционного поля по периодам увлажнения грунтов образуются эллипсы, которые сезонно смещаются друг относительно друга по оси их общей выборки.

Обращает на себя внимание уменьшение сезонных стандартных отклонений S физико-механических показателей просадочных грунтов относительно стандартных отклонений для общей выборки, что, как правило, приводит к уменьшению соответствующих коэффициентов вариации. Относительная погрешность результатов, рассчитанная через коэффициент Стьюдента (0, колеблется в пределах 1-5 % (при надёжности Р = 0,99) для физических характеристик и 8-12 % - для характеристик просадочности. Дисперсии S1 изменились относительно дисперсий общей выборки как в большую, так и в меньшую сторону. В целом они повторили коэффициенты детерминации и подтвердили значимость линейных уравнений (по Фишеру), даже с г2ху= 0,25. А увеличение коэффициента детерминации характеристик просадочности повысило оценку значимости парной регрессии.

Анализ результатов определил сезонное изменение характеристик просадочности (рис. 3). Так, в зимний период максимальное значение а,, 0 3 составляет 0,081, минимальное - 0,010. На промежуток значений £sio3 0,0100,050 приходится около 80 % зимней выборки. При этом максимум кривой распределения приходится на в5/оз = 0,031. В летний период максимальное значение ssi 03 составляет 0,131, минимальное - 0,011, при среднем значении 0,05.

Ейы.МПа

Рис. 3. Гистограммы распределений зимней (синим) и летней (желтым) выборок по е,;о,3

Таблица 7

Статистические характеристики, матрицы парных коэффициентов корреляции двух периодов влагонасыщения

просадочных грунтов

Показатели X 5 Коэффициенты корреляции X 5

\%н IV I,- к 5г Р Р5 И е К, а ЕК Е" РХ/ Ъ/ о,з

1 %н 0.140 0.207 * ■0.15 ■0.28 -0.37 -0.18 0.21 0,11 0.19 0,24 -0,01 -0,28 -0,28 -0,05 -0.05 0.15 41,10 -0.08 0.10 -0.09 0.163 0,197

14,4 ,1,65 0,16 * 0..19 0,42 0.28 0.56 0.63 0,26 -0,04 0,02 0,06 0.05 0Д6 0.36 0.04 ■0,16 -0.04 0,29 -039 20.1 1.73

IV/,, % 31.0 4.52 -0,19 0,35 * 0.72 0.93 -0,33 0,04 -0,10 -0,23 0.07 0,33 0,34 0,64 0,58 41,03 0,06 41,05 41,10 0,07 34.9 4,18

Щ,, % 17.7 2.03 -0,16 0,12 0.69 * 0,43 -0,49 0,06 -0,10 -0.25 0.24 0,30 0.31 0,42 0.49 -0,08 0,10 0.08 0,00 0,07 19.2 1.65

ь, % 13,3 ЪХ1 -0,15 0,39 11,88 0,26 * -0,18 0,01 -0,08 -0,17 0,07 0.27 0,28 0,62 0.50 0,00 0,03 -0,12 41,13 0,06 15,7 3,20

к, д.ед. •0.274 0.267 0,17 (1,84 0.12 -0,37 0.40 * 0.52 0,31 0,16 -0,01 -0.19 -0,20 41,19 41.12 0,10 •0,21 -0,09 0,28 0.44 11.059 0.115

8г, д.ед. 0.440 0.125 0.35 0.76 0.03 41.15 0.13 0,72 * 0,80 0.62 0.00 -0.70 -0,72 0,54 0.50 -0.35 0.18 0.33 0.51 -0.54 0.631 0.076

р, г/см3 1.67 0.099 0,3*1 ол 0.24 -0.32 -0.11 0.35 0,77 * 0,70 -0.91 -031 -0,82 0.51 0.41 -0,39 0.24 0.32 0,40 -0,40 1.74 0.087

Р</, г/см3 1.46 0.079 0,35 -0.13 -0.39 -0.38 -0.28 0.02 0,49 0,92 * -0,01 -0,84 -0,85 0,43 0.31 -0,40 0,28 0,34 0.34 -031 1.45 0,073

р„ г/см3 2,70 0,135 ■0,01 0,02 0,115 0.02 0.05 0.02 0,01 -0,01 -0.01 * 0.02 0.02 0,04 0.04 0,00 0,00 41,01 •0.01 0.00 2.71 0,136

«,% 46.0 2,93 -0.34 0,15 0,43 0.39 0,32 -0,01 -0,47 -0,91 -1,00 0,02 * 0,99 -0.45 0.31 0,46 033 -0.39 4) .37 0,34 46,5 2,32

е, д.ед. 0.858 0.103 ■0.35 0,14 0.44 0,40 0.33 -0,0) -0,48 -0,91 (1,99 0.02 1,П0 * 41,45 -0,31 0.47 -032 41.38 41.37 0,34 0,872 0,081

К,!, Д.ед. -0.069 0.347 0.03 0,20 0.54 0.22 0.58 0.17 0,39 0,48 0,41 0.04 -0.37 -0.37 * 0,75 41.41 0.35 0.28 0.19 -0,17 0.131 0.270

/да д.ед. -0,014 0.083 0.17 ОЛ 0,36 0.13 0.39 0,19 0.47 0.59 0,51 0.02 -0.48 -0,47 0.68 * -0.35 0.33 0.29 0,23 -одо 0.042 0.073

а, 1/МПа 0,26 0.201 0.21 0,41 -0,05 -0.06 -0.03 0,35 0,25 -0,07 -0,22 0,00 0.22 0,23 41,20 -0.15 * -0,80 ■0.69 41,41 0,27 0,38 0,213

ЕК, МПа 5,70 2.47 ■0,07 -0.46 0.03 0.09 -0.01 -0,39 -0,25 0,04 0,22 0,00 -0.21 -0.21 0,16 0.12 -0,70 * 0,71 0.30 41,15 3.82 1,84

£",МПа 2.06 0.886 0,07 -0.03 -0.20 -0.08 41.22 -0,01 0,23 0,41 0.42 -0,01 -0.43 -0.43 0,20 0.20 -0Л 0.28 * 0.64 41,51 2.23 0.885

РХ1, МПа 0,055 0,057 0,09 0,04 0,24 -0,21 •0.18 0,11 0,24 0.37 037 -0,01 -0.38 -0.38 0.11 0.14 -0.23 0.12 0.62 * -0,79 0.092 0.068

0,058 0.028 0Л1 •0.17 030 0.20 0^6 -0,18 ■037 -0.49 -0,43 0,02 0.45 0.46 41,09 -0.20 -0.01 0.06 -0.66 -0,71 * 0.031 0.017

Примечание. Справа вверху - для фунтов с Н' £ 18 %, слева внизу - с IV < 18 %.

Анализ гистограмм распределений значений Р^ (рис. 4) позволяет отметить неоднородность, которая имеет в обоих случаях слабо выраженное левое крыло. Средние значения кривых распределения начального просадочного давления Р^ соответствуют 0,055 МПа в летний период и 0,092 - в зимний. Гистограммы распределения показывают уменьшение начального просадочного давления Рз1 в летний

* я

период ПО отношению К Рис. 4. Гистограммы распределений зимней и летней Зимнему. выборок по Р„1, МПа

Для определения характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов корреляционное поле зависимости е,/ 03 = / (IV) разделено на 10 участков (рис. 5). На каждом участке проведена оптимальная прямая зависимости е3, 0,з = / {Щ по методу наименьших квадратов (МНК). Каждая зависимость представлена физическими характеристиками. В результате

получены следующие уравнения зависимости соответствует номеру корреляционного поля):

(порядковый номер

1. £»/0,3 = 0,240 - 9,3 IV-г = -0,86; ю-3,

2. £*/о,з = 0,170-7,0^-г = -0,88; ю-3,

3. £*/0,3 = 0,060-2,0Г-г = -0,73; ю-3,

4. е*/0,3 = 0,260- Ю.41Г г = -0,82; • 10"3.

5. = 0,210- 9,0№-г = -0,77; ю-3,

6. е*/0,3 = 0,246- 11,7»' г = -0,76; • 10"3,

7. 0,3 = 0,130 - 5,01У-г = -0,72; Ю-3,

8. £5/0,3 = 0,084 -3,5IV-г =-0,75; Ю-3,

9. £5/0,3 = 0,156-10,4»' Г = -0,83; • Ю-3,

10. о,з = 0,236-12,0^ Г = -0,84. • 10'3,

0,3 0,16 --

А

0,14 --

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04 --

0,02

10

15

20

25 IV,%

Рис. 5. Графики зависимости относительной просадочности е^о.з от влажности IV %

Анализ результатов зависимости 8а/о,з =/№ позволил заключить, что с изменением влажности грунтов W изменяется относительная просадочность 8s/o,3 по полям прямых участков 1-4; 2-5 и 6, 3-8.

Для определения начального просадочного давления корреляционное поле зависимости Psi =/(вsi 0,3) разделено по влажности W на 4 участка (рис. 6). Зависимости для каждого участка получены путем приведения частных значений Psl и ss/ о,з к нормальному закону распределения и представлены уравнениями:

-2,91 - 1,22 ■ lge./03 W= 7-11 %: Ps, = 10 • , г = -0,82;

-2,73 - 1,06 • Ige /0 з W= 12-15 %: Psi = 10 • , г = -0,85;

-3,10 - 1,25 • Ige,;о, W= 16-19 %: Ps, = 10 • , r = -0,84;

-3,19 - 1.27 • lg e ,0 з

W= 20-24 %: Psl = 10 ' , r = -0,81.

Psb Ml la 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

A

CO о о о о

О о °

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 £s/0J

Рис. 6. Диаграмма рассеяния характеристик просадочности Psi от 8si о,з с ачажностью W % грунта, соответствующей 7-11 %; 12-15 %; 16-19 %; 20-24 % (кривые 1-4)

В результате разделения грунтов I ТГУП по периодам увлажнения, аналитического и математического анализов массивов выборок подтверждено влияние изменения влажности (W %) грунтов на характеристики просадочности.

3. Лабораторный метод определения просадочности испытания грунтов по схеме «трёх кривых» учитывает максимальную изменчивость характеристик просадочности по периодам увлажнения. Достоверность результатов достигается получением количественных оценок характеристик просадочности.

Характеристики просадочности (ХП) определяются по ГОСТ 23161-78 (Грунты. Метод лабораторного определения характеристик просадочности).

ХП определяются по относительной деформации уплотнения, полученной по результатам испытаний образцов грунта ненарушенного сложения в компрессионных приборах. Испытания проводятся на образцах грунта с замачиванием их водой, при давлении, последовательно увеличиваемом ступенями, согласно существующему ГОСТу.

Испытание просадочных грунтов в компрессионных приборах выполняется по схемам:

- «одной кривой» - для определения относительной просадочности при одной заданной величине давления;

- «двух кривых» - для определения относительной просадочности при различных давлениях и начального просадочного давления.

Многолетняя практика определения ХП показала что более информативными являются лабораторные испытания, проводимые по схеме «двух кривых» на двух образцах из одного монолита.

Как было показано выше, с изменением периодов увлажнения грунтов изменяются и ХП (s,/, Pst). Для учета этих изменений в грунтах I ТГУП в лабораторных условиях предложено усовершенствование методики (в дополнение к ГОСТ 23161-78) определения ХП грунтов по схеме «трёх кривых». Испытание по такой схеме учитывает минимальную годовую влажность грунта

Испытания по схеме «трех кривых» проводятся на трёх образцах грунта, отобранных из одного монолита. Первый и второй образцы испытываются стандартно в соответствии с действующим ГОСТом, третий образец помещается в эксикатор. Контролируется вес и линейные размеры образца. Критерием условного завершения подсушивания считается достижение массы образца, соответствующей минимальной годовой его влажности. Минимальная годовая влажность устанавливается программой производства работ, исходя из летней (осенней, сентябрьской) выборки характеристик грунтов по близлежащим объектам. Масса образца рассчитывается по формуле:

m = pAl+Wm)V, где V - объем кольца компрессионного прибора;

IVт - влажность грунта соответствующая минимальной годовой, по архивным данным для района работ, д. ед.

Подсушенный и предварительно взвешенный образец помещается в третий компрессионный прибор.

Рис. 7. Результаты испытания просадочного грунта в компрессионном приборе по схеме «трех кривых»:

а) относительной деформации уплотнения:

1 - относительная деформация уплотнения подсушенного грунта с заданной влажностью в зависимости от давления; 2, 3 - относительная деформация уплотнения грунта с природной влажностью и в водонасыщенном состоянии в зависимости от давления;

б) относительной просадочности:

4 - дополнительная относительная деформация уплотнения грунта в результате замачивания подсушенного образца и образца с природной влажностью (относительная просадочность); 1-3 - зависимость относительной просадочности подсушенного грунта от давления; 2-3 - зависимость относительной просадочности грунта с естественной влажностью от давления;

Р^, Р,1 - начальное просадочное давление подсушенного грунта и грунта с естественной влажностью соответственно; , к,г - относительная просадочность грунта, равная 0,01 начального просадочного давления Р'л и Рг,.

Подсушивание третьего образца можно проводить и ускоренным методом - с помощью вакуумной фильтрации, без нарушения структурной прочности. Вариант ускоренного метода значительно сокращает время подготовки образца к испытанию.

Величины относительной просадочности (е',) для различных давлений при испытаниях по схеме «трёх кривых» (рис. 7) предлагается определять как разность значений относительной деформации уплотнения образцов в водонасыщенном состоянии и при природной влажности, соответствующей максимально засушливому периоду года.

И1+к2-2г

При нагрузке Р(МПа), е5, = е3-еь при этом =-—-,

где е'1( — относительная просадочность;

Е| - относительная деформация уплотнения подсушенного образца фунта;

Е3 - относительная деформация уплотнения образца грунта в водонасышенном состоянии;

И], И2 - абсолютная деформация уплотнения образца, мм, в двух диаметрально противоположных (в плане) точках подсушенного грунта при нагрузке Р, МПа;

/г0 - высота образца грунта с природной влажностью при природном давлении на глубине его отбора, мм;

г - поправка на упругие деформации прибора и деформации бумажного фильтра, мм.

Начальное просадочное давление Р', , МПа, определяется по графику (см. рис. 7). Принимается давление, при котором относительная просадочность е'1( составляет 0,01.

Предлагаемая усовершенствованная лабораторная методика определения ХП по схеме «трёх кривых», в сравнении со схемой «двух кривых», учитывает сезонные максимальные отклонения ДБЛ ДЛ/- При этом численно значения е,, увеличиваются, а Р', - уменьшаются.

Значение компрессионного модуля деформации £", определенного по результатам испытаний образца с минимальной годовой влажностью (е, =/(Р)), увеличится в сравнении с модулем деформации Ек, определенным при естественной влажности (е2 =/(Р), кривые 1-2, см. рис. 7).

Таким образом, предложенная схема «трех кривых» существенно повышает качество инженерно-геологических изысканий на просадочных грунтах. Она может использоваться в лабораторной практике изыскательскими организациями.

22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. По материалам изысканий автора проведена детализация карты инженерно-геологических условий Анапского района, сделанная ЗАО «Сев-КавТИСИЗ». В результате обработки собранных материалов лабораторных исследований грунтов установлена взаимосвязь изменения их физических свойств и характеристик просадочности в Анапском районе.

2. Выполненные исследования позволили определить сезонные изменения физико-механических свойств и характеристик просадочности, характерных для высокопористых просадочных грунтов, которые развиты в зоне аэрации с неглубоким (до 5-10 м) залеганием подстилающего водоупорного пласта.

3. Лабораторный метод определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых», по сравнению с существующей схемой «двух кривых», совершенствует определение характеристик просадочности, направлен на получение достоверных результатов и повышение надежности оснований зданий и сооружений.

4. На примере грунтов Анапского района для предварительного определения характеристик просадочности приведены зависимости £з/ оз = / (W, 1Р, е); Psi = / (fV, es/ 0,з), учитывающие сезонное изменение влажности фунтов.

5. Усовершенствованная методика «трех кривых» лабораторного определения характеристик просадочности в дополнение к существующему ГОСТ 23161-78 рекомендована к внедрению СРО НП «КубаньСтройИзыскания».

6. Разработанный стандарт СТО «Метод определения характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов» рекомендован к внедрению СРО НП «КубаньСтройИзыскания».

7. Предложена и выполнена при инженерно-геологических изысканиях в Анапском районе дегидратация грунта в лабораторных условиях с помощью вакуумной фильтрации.

8. В составе зарегистрированного программного комплекса «Метеорит» написана и применена на практике программа по определению характеристик просадочности по схеме «трёх кривых».

9. Практическая значимость всей работы заключается в получении достоверных результатов характеристик просадочности изыскательскими организациями и повышении надежности оснований зданий и сооружений.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи, опубликованные в ведущих научных журналах, рецензируемых Высшей аттестационной комиссией:

1. Семячков А. И., Ахлюстин О. Е. Особенности состава и свойств глинистых грунтов территории города Анапа // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 3 (24).-Краснодар, 2010. - С. 154-157.

2. Ахлюстин О. Е. Совершенствование системы лабораторного определения характеристик просадочных грунтов I типа (на примере грунтовых условий Анапского района) // Инженерные изыскания,- 2012.- № 11. - С. 42-50.

Статьи, опубликованные в материалах конференций:

3. Ахлюстин О. Е., Ахлюстина А. О. Анализ сезонного изменения свойств просадочных грунтов I типа (на примере городского округа Анапа)// Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии: сборник тезисов и статей Всероссийской молодежной конференции, г. Новочеркасск, 16 мая 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЛИК, 2012. - С. 13-17.

4. Ткачук Э. И., Красилова Т.А., Ахлюстин О. Е. Градиентные модели вертикальной изменчивости показателей просадочности лёссовых пород территории г. Анапы // Моделирование. Теория, методы и средства: материалы III Международной научно-практической конференции, часть I, г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 11 апреля 2003 г.- Новочеркасск, 2003,- С. 47-49.

5. Ткачук Э. И, Ахлюстин О. Е., Дмитриев Э. А. Особенности состава и свойств дисперсных грунтов Анапского района // Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа, том 2: материалы III Международной научной конференции, посвященной 100-летию профессора A.B. Пэка, г. Новочеркасск, 7-9 февраля 2002 г. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2002. - С.199—205.

6. Ткачук Э. И., Морозова Н. А., Ахлюстин О. Е. Опыт количественной оценки роли факторов в изменении сжимаемости глинистых пород как развивающихся систем (на примере отложений территории Большой Анапы) // Проблемы геологии, полезных ископаемых и рационального недропользования: материалы III Международной научно-практической конференции, г. Новочеркасск, ЮРГУ (НПИ), 26 ноября 2004 г. -Новочеркасск, 2004. - С. 47-54.

7. Ахлюстин О. Е. Стандарт организации НП СРО «КубаньСтрой-Изыскания». Грунты. Метод определения характеристик просадочности по физическим свойствам фунтов. СТО. Первая редакция. -Краснодар, 2013. -11 с.

8. Ахлюстин О. Е. Стандарт организации НП СРО «КубаньСтрой-Изыскания». Грунты. Метод лабораторного определения характеристик просадочности по схеме «трех кривых». Первая редакция. - Краснодар, 2013. -11 с.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010616647. Программный комплекс «Метеорит» для инженерно-геологических изысканий / авторы: Гордиенко H. Е., Ахлюстин О. Е. (RU). Заявка №2010613262. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 6 октября 2010 г.

Подписано в печать 25 октября 2013 г. Бумага офсетная. Формат 60 х 84 1/16. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ

Издательство VI1У 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Ахлюстин, Олег Евгеньевич, Екатеринбург

Министерство образования и науки Российской

Федерации

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный горный

университет»

На правах рукописи

Ахлюстин Олег Евгеньевич

Закономерности изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов Анапского района

Краснодарского края

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата

геолого-минералогических наук

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор Семячков А.И.

Екатеринбург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ...............................................11

1.1. Просадочные грунты и их развитие в пределах Северного

Кавказа............................................................................................................ 11

1.2. Обзор существующих научных разработок по генезису просадочных грунтов.....................................................................................22

1.3. Химико-минералогический и гранулометрический состав просадочных грунтов......................................................................................25

1.4. Сезонные изменения физико-механических свойств просадочных грунтов.............................................................................................................33

1.5. Процесс просадочности грунтов. Существующие предварительные

оценки просадочности по физическим показателям...................................42

Выводы.............................................................................................................57

ГЛАВА 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ.......................58

2.1. Закономерности распространения просадочных грунтов

в районе г. Анапа.............................................................................................58

2.2. Анализ показателей физико-механических свойств просадочных грунтов.............................................................................................................63

2.3. Закономерности изменения физико-механических свойств просадочных грунтов....................................................................................70

2.3.1. Закономерности изменения показателей физических

свойств и показателей просадочности.................................................70

2.3.2. Закономерности изменения механических свойств и характеристик просадочности..................................................................74

2.3.3. Закономерности вертикальной изменчивости физико-механических свойств............................................................................77

2.3.4. Обобщение закономерностей изменения физико-

механических свойств просадочных грунтов......................................79

Выводы............................................................................................................82

ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ ПО ПЕРИОДАМ УВЛАЖНЕНИЯ.......................................................................83

3.1. Годовой режим увлажнения и инфильтрации просадочных грунтов.. 83

3.2. Анализ физико-механических свойств по периодам увлажнения просадочных грунтов..................................................................................... 88

3.3. Определение характеристик просадочности по физическим

показателям.....................................................................................................98

ВЫВОДЫ.......................................................................................................105

ГЛАВА 4. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСАДОЧНОСТИ ГРУНТОВ........106

4.1. Существующий лабораторный метод определения характеристик просадочности...............................................................................................106

4.2. Метод лабораторного определения характеристик просадочности

по схеме «трёх кривых»................................................................................109

4.3. Ускоренный метод подсушивания грунта вакуум-фильтром............112

4.3.1. Аппаратура...................................................................................113

4.3.2. Подготовка к испытаниям..........................................................114

4.3.3. Проведение испытания и обработка результатов....................115

4.4. Графическое построение и расчёт характеристик просадочности

по схеме «трёх кривых»................................................................................116

Выводы...........................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................138

1. Расчет классификации многомерных наблюдений программой АГАТ-2... 138

2. Таблицы физико-механических свойств.........................................................141

3. Инженерно-геологические разрезы.................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На перспективной застройке территории Краснодарского края основанием большинства вновь строящихся объектов служат грунты четвертичных отложений, обладающих специфическим свойством просадочности. Градостроительный кодекс РФ относит работы по инженерным изысканиям к видам деятельности, которые оказывают влияние на безопасность объектов капительного строительства. Следовательно, все грунты, в том числе специфические, обладающие просадочными свойствами, относятся к одному из важных факторов при строительстве, реконструкции и эксплуатации зданий и сооружений, влияющих на безопасность человека. Оптимизация количественных показателей лабораторного определения характеристик просадочности, имеют важное значение, т. к. позволяют точнее определить эти характеристики.

Вопросами изучения свойств специфических просадочных грунтов занимались многие учёные, которые внесли огромный и неоценимый вклад в познание по исследуемой тематике, среди них: Ананьев В. П., Алфёров В. С., Болдырев Г. Г., Бондарик Г. К., Воронов Ф. И., Воронин А. М., Галай Б. Ф., Денисов Н. Я., Зиангиров Р. С., Кригер Н. И., Крутов В. И., Ларионов А. К., Ломтадзе В. Д., Минервин А. В., Приклонский В. А., Сергеев Е. М., Трофимов В. Т., Швецов Г. И. и другие.

В Анапском районе имеет место существенное изменение природной влажности просадочных грунтов. Однако существующий ГОСТ 23161-78 «Грунты, метод лабораторного определения характеристик просадочности» не предусматривает обработку грунтов с влажностью, соответствующей наиболее засушливому периоду года. Следовательно, уточнение характеристик просадочности, в том числе в лабораторных условиях, является актуальной задачей.

Связь темы диссертации с государственными программами. Работа выполнялась в соответствии разработанных Минрегионом РФ и Национальным объединением изыскателей (НОИЗ) проекта строительных

норм и правил (СП 47 13330.2012 Актуализированная редакция СНиП 11-0296 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения-актуализация) и публичного его обсуждения. Ст. 12 ФЗ «О техническом регулировании» (Объект свода правил, коды ОКС 93.010, 0.740, 0.760, 13.080.20, 13.080.40).

Объект исследования. Грунты, обладающие просадочными свойствами, которые являются основанием зданий и сооружений в строительстве, в горной и других отраслях промышленности.

Предметом исследований являются физико-механические свойства просадочных грунтов, которые определяют устойчивость зданий и сооружений.

Идея работы заключается в определении закономерностей изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов и усовершенствовании методики определения характеристик просадочности в лабораторных условиях.

Цель работы - получение данных по просадочным грунтам для повышения надёжности оснований зданий и сооружений.

Задачи исследований:

1. Оценка инженерно-геологических особенностей определения характеристик просадочности.

2. Установление основных показателей, влияющих на изменение просадочных свойств грунтов I типа грунтовых условий по просадочности (I ТГУП), для получения достоверных результатов характеристик просадочности.

3. Определение зависимостей между характеристиками физико-механических свойств просадочных грунтов.

4. Предварительное определение характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов.

5. Усовершенствование методики определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых» в лабораторных условиях с учетом минимальной влажности грунта.

6. Разработка методики подготовки к компрессионному испытанию третьего образца грунта с применением вакуум-камеры.

Методы исследований. Поставленные задачи решались анализом и систематизацией данных литературных источников инженерно-геологических материалов по просадочным грунтам. Лабораторные определения выполнялись в аттестованных лабораториях. Обработка материалов лабораторных работ выполнялась с использованием

компьютерных программ, разработанных при непосредственном участии *

автора.

Научная новизна работы:

1. Определены зависимости физико-механических свойств (ФМС) просадочных грунтов I типа грунтовых условий по просадочности (I ТГУП) на территории Анапского района.

2. Установлена взаимосвязь изменения характеристик просадочности с годовым процессом влагонасыщения и дегидратации грунтов в Анапском районе.

3. В качестве предварительного показателя по физическим свойствам грунтов определена величина начального просадочного давления.

Основные защищаемые научные положения

1. Формирование на территории г. Анапа и Анапского района пылевато-глинистых дисперсных грунтов со специфическими инженерно-геологическими особенностями определяет характерные для региона закономерности изменчивости их физико-механических свойств. Выбор предикторов для определения характеристик просадочности грунтов I типа грунтовых условий по просадочности обуславливается оценкой тесноты их взаимосвязи.

2. Закономерности изменения показателей физико-механических свойств грунтов I типа грунтовых условий по просадочности, определяется годовыми процессами инфильтрации и испарения. Достоверность результатов лабораторных определений просадочных грунтов I типа

грунтовых условий по просадочности обеспечивается оценкой изменчивости их влажности.

3. Лабораторный метод определения просадочности испытания грунтов по схеме «трёх кривых» учитывает максимальную изменчивость характеристик просадочности по периодам увлажнения. Достоверность результатов достигается получением количественных оценок характеристик просадочности.

Практическая ценность работы. Предложена методика «трех кривых» лабораторного определения характеристик просадочности в дополнение к существующему ГОСТ 23161-78 внедрена в СРО НП «КубаньСтройИзыскания».

Предложена методика определения характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов.

Разработана компьютерная программа по определению характеристик просадочности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций,

подтверждается применением апробированных и усовершенствованных методик, а также сходимостью результатов статистической обработки и лабораторных испытаний.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации рекомендованы к внедрению саморегулируемой организацией НП СРО «КубаньСтройИзыскания». Результаты работы использовались при производстве инженерно-геологических изысканий:

- газопровод высокого и среднего давления в ст. Вышестеблиевская, Темрюкского района, октябрь 2010 г.;

- торгово-развлекательный комплекс «Красная площадь» в г. Анапа, декабрь 2010 г.;

- комплекс административных, торговых и складских помещений в г. Анапа, август 2011г.;

- расширение кирпичного завода ООО «Славянский кирпич» в г. Славянске-на-Кубани. Строительство цеха мощностью 140 тыс. тонн в год, декабрь 2011 г.;

- три 19-ти этажных жилых дома по ул. Рождественская в г. Анапа, август 2012 г.;

- газопровод высокого давления в пос. База Темрюкского района, декабрь

2012 г.;

- спортивный комплекс с плавательным бассейном в ст. Павловская, февраль

2013 г.;

- гостиничный комплекс в пос. Супсех Анапского района, март 2013 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на:

- третьей международной научной конференции «Проблемы геологии полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа» (г.Новочеркасск, 2002г.);

- конференции - моделирование, теория, методы и средства (г. Новочеркасск, 2003 г.);

- конференции - проблема геологии полезных ископаемых и рационального недропользования (г. Новочеркасск, 2004 г.);

- конференции некоммерческой организации «КубаньСтройИзыскания» по автоматизации обработки данных инженерных изысканий (г. Краснодар, 2010 г.);

- конференции некоммерческой организации «КубаньСтройИзыскания» лабораторные исследования физико механических свойств грунтов. Современная выпускаемая аппаратура (г. Краснодар, 2011 г.);

всероссийской конференции - актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии (г. Новочеркасск, 2012 г.);

- научном семинаре факультета гражданской защиты ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г.Екатеринбург, 2012 г.);

- общем годовом собрании членов СРО НП «КубаньСтройИзыскания» (г. Краснодар, 2013 г.).

Личный вклад автора заключается в:

- формировании фактографической базы данных результатов лабораторных исследований просадочных грунтов I ТГУП, их систематизации и статистической обработке;

- усовершенствовании методики лабораторного определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых»;

- определении функциональных связей показателей просадочных свойств грунтов I ТГУП;

- разработке и внедрении стандартов организации СРО НП «КубаньСтройИзыскания»: «Метод определения характеристик просадочности по физическим свойствам грунтов», «Метод лабораторного определения характеристик просадочности по схеме «трёх кривых»»;

- разработке и внедрении в составе рабочей группы стандарта организации СРО НП «КубаньСтройИзыскания»: «Карты инженерно-геологические и разрезы инженерно-геологические. Требование к содержанию, построению и оформлению»;

- разработке компьютерной программы для обработки данных в составе программного комплекса по инженерно-геологическим изысканиям.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 работ, в том числе две в ведущих рецензированных научных журналах, входящих в перечень ВАК, выпущено 2 стандарта организации СРО НП «КубаньСтройИзыскания».

Структура и объём. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения. Содержание работы изложено на 137 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков, 32 таблицы, 43 формулы. Библиографический список содержит 182 наименования. Приложение содержит 3 расчета классификации многомерных наблюдений программой АГАТ-2; 3 таблицы физико-механических свойств: общей выборки, летней и зимней; 7 инженерно-геологических разрезов.

Первая глава посвящена обзору и анализу существующих научных разработок по специфическим просадочным грунтам.

Во второй главе рассмотрены условия формирования и проведен анализ закономерностей изменчивости физико-механических свойств просадочных грунтов I ТГУП, выявлены закономерности изменения физико-механических свойств с изменением влажности, выбраны лабораторные характеристики физико-механических свойств просадочных грунтов в качестве признаков их совокупной оценки для определения характеристик просадочности на примере грунтовых условий Анапы и Анапского района.

В третьей главе проведен анализ изменения физико-механических свойств по периодам увлажнения просадочных грунтов, приведены функциональные зависимости предварительного определения характеристик просадочности грунтов I ТГУП по их физическим свойствам на примере грунтовых условий Анапы и Анапского района.

В четвертой главе приведена количественная оценка лабораторного определения характеристик просадочности, представлена усовершенствованная лабораторная методика по схеме «трёх кривых».

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю заведующему кафедры геоэкологии профессору, доктору геолого-минералогических наук А. И. Семячкову.

Особую благодарность и признательность автор выражает заведующему кафедры гидрогеологии, инженерной геологии, профессору, доктору геолого-минералогических наук О. Н. Грязнову и доценту кафедры, доктору геолого-минералогических наук И. В. Абатуровой.

Автор благодарит заведующего кафедрой оснований и фундаментов Кубанского Государственного Аграрного Университета профессора, доктора геолого-минералогических наук К. Ш. Шадунца и главного геолога СЕВКАВТИСИЗа А. Н. Батурину. Автор признателен в оказании помощи и поддержки в работе Генеральному директору Некоммерческого партнерства СРО «КубаньСтройИзыскания» Т. П. Хлебниковой.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

1.1. Просадочные грунты и их развитие в пределах Северного Кавказа

Грунт - это горная порода, техногенные образования, представляют собой многокомпонентные системы, подверженные изменению, которые являются компонентами геологической среды и объектом антропогенной деятельности человека [1].

Из большого разнообразия грунтов по ГОСТ 25100-2011 просадочные гру�