Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование намывных оснований в инженерно-геологических условиях Западной Сибири

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Формирование намывных оснований в инженерно-геологических условиях Западной Сибири"

ГОССТРОЙ РОССИИ Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям з строительстве (ПНИИИС)

Р Г 5 ОД На правах рукопис;

- 5 ДЕК 1SDA

Нарбутик Сергей Викторович

УДК 624.13

' ФОРМИРОВАНИЕ НАШВНЫХ ОСНОВАНИЙ " В ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

(04.00.07'- Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1994

Работа выполнена на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов Тюменского инженерно-строительного института и в аспирантуре МГСУ на кафедре инженерной геологии.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор И.В.Дудлер

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор П.А.Коновалов - кандидат технических наук А.П.Афонин

Ведущее предприятие - Тюменский Государственный научно-исследовательский и проектный институт ' министерства топливной промышленности Российской Федерации (Гипротюменнефте-газ)

]• > / у*

Защита состоится У / " г. в ' ^ часов

на заседании специализированного Совета К 033.11.01. в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИШС) по адресу: 105058, Окружной проезд, д. 18, метро "Измайловский парк".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке (ПНИШС) по тому же адресу.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан " ^ " ^~/Сс-) 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат геолого-минералогических наук

О.П.Павлова

Актуальность работы. Специфические инженерно-геологические . условия большей части, Западной Сибири .(широкое распространение : ..торфов и заторфованных грунтов, высокий уровень грунтовых вод, на, / личие мвогсшетней'лмерзлоты.:значительная заболоченность'и заозер-. „• лость)-предопределяют-необходимость инженерной подготовки застраи-. Баемых территорий. В. большинстве, случаев для этой цели'используют-- ей способы гидрокшханизади?-'С,,помощ >основания зданий и сооружений. . л-.,.-,.^:-.:

• •>■•••.-.; V.--; • Характерной: в •этом. , отношении является Тюменская область,. ...в ■:'^пределах, которой -добываются' основные объемы нефти и газа в России - и размещены их перспективные месторождения. •

. Об'исключительно высоких масштабах предпостроечной подготовки территорий намывом грунтов в этом регионе свидетельствуют следующие данные: планами генерального развития городов Тюмени, Сургута, Нижневартовска и Нефтеюганска предусмотрено намыть в искусственные основания зданий и сооружений свыше 26 млн. м3 грунта; объем гидромеханизированных' работ при обустройстве-месторождений только в системе Тюменефтегаза составляет около 50 млн. м3 грунта в год, из них более половины намываемся в основание возводимых" "сооружений.

Недостаточная изученность и недоучет особенностей местных грунтовых материалов для намыва (карьерных мелкодисперсных песков), слабая дренированность естественного-основания, высасая интенсивность намыва, укладка песков в воду, а также недостаточное внимание к проектам создания намывных территорий - обусловили низкие значения плотности и физико-механических свойств намывных песков. Поэтому намыв использовался, как правило, только для поднятия планировочных отметок и,-проектировщики ориентировались, в основном, на устройство дорогостоящих свайных фундаментов (в некоторых

случаях в- регионе его стоимость достигала 307» от стоимости здания) .

Стремление улучшить технико-экономические показатели строительства определило актуальность задачи технической мелиорации намывных песков для использования их в качестве несущего основания сооружений. Однако оказалось, что, вследствие низкой водоотдачи мелкодисперсных намывных,,-грунтов\и. низкой дренированнссти естест-. венного основания, " применение гдрадищюнных способов глубинного ''айброуплотненйя явилось •кизКоэ^ективным. Пр1шенение - же других способов, в .частности,, виброинъекционного закрепления намывных песков, оказывается чрезмерно дорогостоящ»-! и не приемлемым для инженерной подготовки значительных площадей застраиваемых территорий региона.

В связи с изложенным для рассматриваемого региона остается актуальной задача изучения и совершенствования способов формирования намывных оснований с учетом современной концепции необходимости и возможности инженерно-геологического управления созданием природко-технических систем "сооружение -.геологическая среда", в том числе "массив намывных грунтов - геологичеекая среда".

Дель работы - изучение инженерно-геологических факторов, влияющих на формирование намывных оснований зданий и сооружений в региональных условиях Западной Сибири, и разработка эффективных способов глубинного виброуплотнения мелкодисперсных намывных песков для повышения'их несущей способности.

Задачи исследований:

1. Изучить и провести типизацию инженерно-геологических условий создания намывных оснований в районах перспективного развития газо-нефтепромысловых комплексов Западной Сибири.

2. Изучить инженерно-геологические особенности песчаных грунтов региона, как материала для возведения намывных оснований.

3. Исследовать влияние дренирующей способности естественного основания и дисперсности карьерных грунтов на формирование плотности намывных оснований.

4. Исследовать динамику изменения порового давления воды при вибрации и -возможность использования избыточных напоров для отвода ее из зоны глубинного виброуплотнения намывных песков с целью повышения эффективности их технической мелиорации.

5. Установить влияние параметров вибрации и угла поворота горизонтальных элементов' пространственного стерневого уплотнителя на качество глубинного вкброуплотнекия намывных песков.

6. Разработать новые способы и технические средства для повышения эффективности глубинного виброуплотнекия мелкодисперсных намывных песков в региональных условиях Западной Сибири.

7. Разработать методику прогнозирования физико-механических свойств песков намывных оснований региона при различных способах и условиях их формирования.

Научная новизна: •

1. Впервые на основе интегрального многофакторного анализа составлена типизация инженерно-геологических условий формирования намывных оснований зданий и сооружений в региональных условиях Западной Сибири.

2. Впервые дана комплексная характеристика состава, структурных особенностей и ряда свойств местных песчаных грунтов различного генезиса и возраста как материала для возведения намывных оснований.

3. Впервые исследовано влияние дренирующей способности естественного основания на формирование плотности намывных песков разной крупности и эффективность их технической мелиорации способами глубинного виброуплоткения.

4. Разработаны нсзые способы и технические средства глубинного виброуплотнения мелкодисперсных намывных песков, ' уложенных на недренированное или плоходрекированнсе основание, защищенные авторским свидетельствсм и положительными решениями о выдаче патентов на два-изобретения.

5. Применительно к региональным условиям.Западной Сибири установлены закономерности в развитии стадий формирования . свойств намывных песков, в тем числе при их технической мелиорации способом глубинного виброуплоткения.

Практическая ценность работы заключается в разработке:

- геологических моделей строения намывных оснований для выделенных инженерно-геологических районов перспективного создания и строительного освоения намывных территорий в'зонах развития газонефтеносных месторождений;

- систематизации.(типизации) характеристик местных грунтовых материалов (карьерных песков) для возведения намывных оснований;

- новых эффективных способов и технических средств глубинного виброуплотнения мелкодисперсных намывных песков (A.C. N 170713? от 22.09.91; положительные решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения N 5047597/33, N 5039433/33);

- методики прогнозирования физико-механических свойств песчаных грунтов намывных оснований при различных способах и условиях их формирования.

Защищаемые положения:

1. Типизация инженерно-геологических условий формирования намывных оснований в региональных условиях Западной Сибири в районах существующих и перспективных газонефтеносных месторождений.

. 2. Типизация местных карьерных песков по особенностям их состава,, структуры и свойств как материала для возведения намывных оснований.

3. Характер и степень влияния дренирующей способности естественного основания на формирование плотности песков-разной крупности при намыве и последующем глубинном виброуплотнении.

4. Закономерности и динамика изменения порового давления воды при различных параметрах вибрации в песках разной крупности по стадиям развития процесса их глубинного виброуплотнения. .

5. Эффективность использования избыточного порового давления воды в песках при разжижении для ее отвода из зоны вибрации и повышения качества глубинного виброуплотнения.

5. Эффективность использования оптимальных параметров вибрации и оптимального угла поворота горизонтальных элементов стержневого уплотнителя,- связанных с характеристиками намывных песков, для повышения качества их глубинного виброуплотнения. .

7. Прогнозные значения показателей физико-механических свойств песков намывных оснований при разных способах их формирования.

Фактический материал диссертации представлен результатами лабораторных и натурных исследований, выполненных автором в период с 1985 г. по 1993 г. при изысканиях, обследовании намывных оснований и подготовке намывных территорий к строительному ■ освоению в Тюменской области, в том числе при обследовании 16 перспективных месторождений (карьеров) песков для намыва.

Исследования проводились в соответствии о рекомендациями Проблемней комиссии по дисперсным грунтам Научного Совета А1! СССР по инженерной геологии и гидрогеологии; целевой комплексной научно-технической программы О.Ц'. 031.055.169.04.02 "Разработать и внедрить эффективные способы подготовки оснований сооружений, возводимых на неравномернссжимаемых грунтах (слабых, неоднородных, ■намывных и насыпных), в тем числе для районов, ранее считавшихся -непригодными для строительства", в частности по теме--"Разработать,.,-, технологию подготовки оснований и устройстве фундаментов,1: гсозда~;-заемых на намывных грунтах, уплотненных способом виброфлотавди" (ТЗа).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на областных научно-практических конференциях "Пути повышения технического уровня строительства в Тюменской области" 1987 г. (г. Тюмень), на областной научно-практической конференции "Проблемы и практика строительства в Тюменской области" 1990 г. (г. Тюмень).

' Внедрение. Результаты исследований внедрены на объектах АО "Стройтрансмонтаж" в городах Тюмени и Сургуте,., а так же материалы работы использовались при проектировании объектов нефтегазового комплекса институтом "Гипротюменнефтегаз". Экономический эффект составил 120.22 тыс. руб..в ценах 1890 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Работы выполнены на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов Тюменского инженерно-строительного института в рамках отраслевых заказов, госбюджетных и хоздоговорных тем, а также в аспирантуре МГ-' СУ на кафедре инженерной геологии.

Объем .работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 141 страницах машинописного

текста, содержит 47 таблиц, 85 рисунков и фотографий, список литературы включает 140 наименований.

■ Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю работы к.т.н., профессору И.В. Дудлеру, заведующему кафедрой МГОФ ТюмИСИ д.т.н., профессору С.Я. Кушниру, сотрудникам этой кафедры к.т.н., доценту Казакову П.Л., к.т.н., доценту Чурманову В.Л. за оказание научной и методической помощи и благодарит сотрудников лаборатории НШОШ, кафедры инженерной геологии МГСУ, Западно-Сибирского отделения ПНИИИС Госстроя России за помощь при выполнении работы.-

СОДЕРЖАНИЕ РРОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, их научная новизна и практическое значение полученных результатов, а также выделены защищаемые положения, приведены сведения о фактическом материале диссертации, апробировании работы и внедрении в строительную практику.

. В первой главе- представлен анализ литературных данных о специфике намывных грунтов и образуемых ими намывных оснований, . способа их технической мелиорации, а .также опыт, создания и изучения намывных оснований в региональных условиях Западной Сибири.

Строительство на намывных основаниях получило широкое расп-' ространение в последние десятилетия и носит прогрессирующий характер практически во всех регионах России И СНГ в целом. Это связано с повышением требований к рациональному использованию и охраны окружающей среды; необходимостью освоения низменных заболоченных и

заозерных герритсрий; решением задач защиты застраиваемых территорий от затопления и подтопления при создании водохранилищ на равнинных реках.

Согласно СНиП 2.02.01.-83 (глава 15) под намывным основанием зданий и сооружений понимается основание, сжимаемая толща которого полностью или частично сложена намытыми грунтами. С инженерно-геологических позиций намывное основание зто геотехногенная система, включающая два взаимодействующих яруса,- верхний, представленный намытыми грунтами, и нижний - толщей грунтов природного образования, . находящихся в естественном.залегании (И.В.Дудлер, 1984-1987).. При зтсм важно подчеркнуть, что нижний ярус активно влияет на формирование свойств верхнего, намывного. Среди техногенных грунтов намывные относятся к классу техногенно-переотложенных (А.П.Афонин, И.В.Дудлер и др., 1990). В этой связи следует учитывать, что намывные грунты в известной мере сохраняют (унаследуют) ряд генетических особенностей и признаков исходных (карьерных) грунтов, хотя и трансформируемых в процессе гидромеханизированных работ (И.В.Дудлер, А.Н.Юлин, 1980).

Как правило, для возведения намывных сооружений, в тем числе верхнего яруса намывных оснований, используются песчаные грунты. К настоящему времени различные аспекты формирования свойств намытых песков достаточно хорошо изучены благодаря работам Мелентьева (1956); Русинова (1959); Ерофеева (1959); Огурцова (1963); Дудлера (1964); Меламута (1967); Волнина (1958); Хазанова (1968); Рсзиное-ра (1970); Иванова (1972); Новикова, Каминской, Седых (1978); Шульц (1980); Винокурова, Каралышева (1980); Никифоровой (1982); Потапова (1982); Зиангирова, Афонина, Черняка, Латалиной (1984); Глотовой (1984); Гончаровой (1984); Каминской (1989), Давыдова

(1985), Финаева (1985); Дудлера (1987); Гальперина (1988); Криве-нюка (1989); Коновалова, Кушнира (1991); Едина (1992) и др.

Установлено, что в общем случае формирование свойств намывных грунтов, в том числе закономерности изменения их во Еремени и длительность протекания выделяемых стадий техногенеза, .зависит от четырех групп факторов: особенностей состава и структуры исходных (карьерных) -песков;;-- технологических: 'схем'_'и- параметров • -намыва; конструкции намываемого'сооружения (строения Массиза намытых грунтов) , инженерно-геологических''условий, в 'Ч^тйост^' дренированности естественного основания',' на которое производится намыв песков/

Следует подчеркнуть, что роль последнего фактора наименее изучена, хотя его значение достаточно велико в случае ограниченной толщины намытых грунтов, особенно если они представлены мелкодисперсными песками, обладающей низкой водоотдачей.

Создание и строительное освоение намывных территорий в разных районах страны позволило выявить существенное влияние региональных природных, прежде всего инженерно-геологических условий на формирование намывных оснований. Это определило появление, наряду с общегосударственными, ряда региональных нормативных и методических документов (по Белоруссии, Центральной Якутии, Тюменской и бывшей Ленинградской области; гг. Киева, Сургута; подготовлены к изданию - для Нижегородской области и г. Уфы). Анализ этих материалов показывает, что при региональных исследованиях недостаточное влияние обращается на типизацию карьерных грунтов, используемых для намыва, а также инженерно-геологическое районирование территорий, осваиваемых намывом. Необходимость такого подхода очевидна, особенно для крупных регионов с перспективным развитием строительства на намывных основаниях. К таким регионам относится и Западная Сибирь.

Б этом регионе изучение наивных грунтов и намывных оснований з целом нссило, в основном, локальный характер (в гг. Тюмени, Сургуте, .Нижневартовске). Исследователи (П.А. - Коновалов, С.Я. Кушнир, Н.С. Никифорова, А.Н. Кривекюк, З.Л. Чурманов и др.) установили, что з указанных районах намытые пески характеризуются низкой плотностью, на протяжении многих лет сохраняют.рыхлое сложение, особенно ниже формирующего уровня техногенного водоносного горизонта. .В- связи с этим они обладают низкими Физико-механическ^и-.СБОйсзэа-:^ •ми-и:•■"В большинстве случаев ке могут служить..несушим, основанием--Такие особенности намытых песков объяснялись, главным образом,: 1« мелкодисперсным составом и недостатками в технологии намыва. Роль водопроницаемости основания не изучалась, хотя указанными авторами и выделялись несколько типов напластований подстилаемых грунтов.

Стремление повысить несущую способность намывных оснований и перейти от использования свай к фундаментам мелкого заложения вызвало разработку и внедрение различных способов технической мелиорации намывных оснований. Б "Рекомендациях к инженерно-геологическим изысканиям и проектированию оснований зданий и сооружений на намывных территориях" (ШКОСП, 1985) подчеркивается, что техническая мелиорация может быть необходима для улучшения строительных свойств грунтов только верхнего (намывного) яруса или нижнего яруса, представленного слабы)«'! водонасыщенными грунтами, или одновременно обоих ярусов намывной территории (намывного основания). Широкую известность получили следующие способы уплотнения намытых песков: взрывной (П.Л.Иванов), электроискровой (Г.М.Ломидзе, Л.И.Хлюпина), пневмопульсационный (Д.С.Трифонов-Яковлев), гидровибрационный по методике ВНЖГС и ВНЙИСТРОЙДОРМАШ (П. Д. Лабасов, В.Л.Чурманов); тяжелыми и сверхтяжелыми трамбовками (Ю.К.Зарецкий,

М.Ю.Горицелов), прицепными и самоходными виброкатками и др.' Исследователями изучены факторы, влияющие ка качество уплотнения грунтов, определены граничные условия применения каждого способа, разработаны соответствующие технологии производства работ.

Исследования, проведенные НИИОСП и ТюмИСИ в Тюменской области, показали, что предпочтение в данных региональных условиях следует отдавать способу глубинного виброуплотнения намытых песков по методике ВНИИГС. Однако работами В.Л.Чурманова было установлено, что в мелкодисперсных песках,, особенно намытых на водонепроницаемое 'основание, достаточный эффект не обеспечивается и это определило разработку нового способа виброинъекционного закрепления намытых песков путем создания в массиве упрочненных грунтовых элементов (В.Л.Чурманов, С.Я.Куинир, П.А.Коновалов). Анализ указанных работ показат, что недостаточно изучены факторы, снижающие качество глубинного виброуплотнения мелкодисперсных песков и не использованы возможные пути для повышения его эффективности.

Таким образом, анализ состояния вопроса выявил необходимость: более полного изучения и учета роли инженерно-геологических факторов в формировании свойств намывных оснований; проведения для районов их перспективного ' создания детальной типизации карьерных грунтов и инженерно-геологических условий застраиваемых территорий; дальнейшего совершенствования способов глубинного виброуплотнения намытых песков на основе углубленного изучения сопровождающих его процессов в мелиорируемом массиве. Отмеченные положения определили приведенные выше цель и задачи диссертационной работы.

< / _

Зтосая глава посвящена характеристике и оценке инженеркс-гео-дсглческих услсзий Западной Сибири з связи с задачами строительства на намывных основаниях.

Анализ регионально-геологических и зонально-географических условий региона показывает, что районы перспективного создания намывных оснований з пределах Западной Сибири находятся в различных инженерно-геологических областях (первого и второго порядка), а также-в достаточно сложных, климатических, гидрологических я геокриологических условиях, негативно оказывающихся на формирование свойств■намывных грунтоз. Неравнозначность этих условий в различных областях и зонах требует детального районирования территории для целей проектирования намывных оснований, прогнозирования свойств намывных грунтов и управления созданием образуемых техногенных массивов.

В основу автором было положено инженерно-геологическое районирование изучаемой территории, предложенное В.М.Сергеевым и уточненное В Т.Трофимовым. Область исследований была ограничена районами перспективного освоения нефте-газового комплекса Западной Сибири. В их пределах распространения имеют следующие инженерно-геологические области: аккумулятивных равнин, сложенных преимущественно морскими средне- и верхнечетвертичными отложениями (Г); тс же, сложенных ледниковыми и водно-ледниковыми среднечетвертичным! отложениями (В); аккумулятивных и денудациокно-аккумулятивных равнин, сложенных озерно-аллювиальными верхне-плиоцен-нижнечетвертичными отложениями (Б) и крупных речных долин, выполненных аллювиальными верхнечетвертичкыми отложениями (Д). Область денудаодонны; равнин, сложенных дочетверткчными отложениями (А), захватывает лини незначительную часть зоны рассматриваемой территории.

С целью более полного учета комплекса природных факторов автором был использован метод интерференции (наложения) соответствующих карт: инженерно-геологического (по В.Г.Трофимову) районирования, гидро-климатических зон и элементов водного баланса (по В.С.Мезенцеву и В.В.Орловой); сезонного промерзания и протаивания грунтов (по ПНЖИС); распространения болотных зон (по П.И.Кашперю-ку). В результате была получена синтетическая карта базового районирования изучаемой территории по различным'" природным условиям создания намывных *территорий.

Следующим этапом в решении поставленной задачи явилось изучение и типизация инженерно-геологических особенностей песчаных грунтов существующих и перспективных карьеров для возведения намывных оснований. С этой целью были проанализированы соответствующие материалы изысканий, выполненных в различное время ПНИИИС, ВСЕГИНГЕО, УралТИШ, ТюменТКСИЗ, Фундамент проектом, НИИИОСП, МГУ и ТюмИСИ и характеризующих генезис и состав песков" 17 инженерно-геологических областей второго порядка. Установлено, что пески региона характеризуются широким диапазоном -дисперсности: от-крупных до глинистых (рис. 1). Однако преимущественное распространение имеют пески мелкие 1; пылеватые; средней крупности в большинстве районов имеют подчиненное значение; крупные практически отсутствуют. Важно отметить достаточно широкое распространение глинистых песков, в которых содержание глинистых фракций достигает 7%.

Для более полной характеристика карьерных грунтов автором были отобраны и изучены образцы 16 разновидностей песков из всех областей (Г, В, Д, Б).

0005

Рис. 1. График гранулометрического состава карьерных песков по женерно-геологическим областям, второго" порядка, 1и 2 . граничные кривые.

В связи с тем, что имелась возмо;шость отобрать образцы тс ко в приповерхностном слое отложений они оказались представленн двумя типами по крупности: ■ мелкими и средней крупности. Тем не нее комплексные исследования по методике ШСИ позволили выяе важные специфические особенности и свойство песков региона, частности значительные диапазоны изменения их характеристик. 1 например содержание мелкодисперсных фракций, размером менее С мм изменяется от 24% до 87%-, менее 0.1 мм - от 3.2 до 14.8%; пс

в три раза меняется показатель гранулометрической неоднородности Эдо/ю от 3.4. до 9.0, существенно влияющий на фракционирование песков при намыве. По морфологии большинство песков относится к категории необработанных с угловато-несферичными, шероховатыми зернами: коэффициент формы зерен К = а * в (по В.А.Мелентьеву) изменялся от 0.08 до 0.54, а показатель общей морфологии л (по А.Д.Потапову) - от 0.32 до 0.51. Повышенная дисперсность и низкая морфологическая обработанность песков обусловили высокие значения и значительный диапазон максимальной молекулярной влагоемкости (4.1 - 11.1%), что предопределяет их низкую водоотдачу и длительную консолидацию после намыва. Указанные структурные особенности песков определили широкий диапазон относительно низких значений их предельных плотностей: в рыхлом сложении 1.24-1.35 г/смЗ, в плотном - 1.56-1.69 г/см3. Это определяет необходимость использования при сопоставлении характеристик карьерных и намытых песков региона показателя относительной плотности - Неуказанные особенности ка>; ерных песков следует оценить как негативные с позиций формирования их плотности в намытом массиве.

На заключительном этапе работы по районированию изучаемой территории применительно к задачам создания намывных .оснований была выполнена типизация природных грунтовых толщ. С этой целью было проанализировано распространение в регионе и состав одно-, двух- и многопородных толщ (по В.Т.Трофимову). В соответствии с требованиями генетического подхода было Еыделено четыре группы намытых оснований: озерно-аллювиальные (В), ледниковые и водно-ледниковые (В), морские (Г) и аллювиальные (Д). С учетом особенностей потенциальных карьерных песков составлены геологические модели намывных оснований по всем выделяемым областям.

Таким образом з итоге была составлена схематичная карта инженерно-геологического районирования и строения существующих и перспективных намывных оснований рассматриваемого региона.

В диссертации приводится подробная характеристика всех выделенных областей, сгруппированных в три большие группы по зонам: Заполярной, Северной и №ной.

• Предложенная автором карта районирования и строения перспективных намывных территорий (оснований) позволит на предварительных этапах проектирования устанавливать в каждой выделенной инженерно-геологической области виды намывных песков и подстилающих их грунтов, оценивать необходимость технической мелиорации намываемых массивов и намечать рациональные типы фундаментов.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния инженерно-геологических факторов на формирование плотности намывных песков региона.

Рассматриваются роль тсперсности намываемых песков и дрени-рованнести естественного основания.

Лабораторные исследования проводились з гидравлическом лотке и на специальном стенде, включающем 9 вертикально установленных труб высотой 2.5 м с внутренним диаметром 150 мм. Их конструкция и оборудование позволяли моделировать различную дренированность естественного основания (отвечающую значениям коэффициента фильтрации 10; 0.1 и 0.01 м/сут., что соответствовало намыву песков на песчаное основание или торф, супеси и суглинки, широко распространенные в регионе), а также контролировать плотность и прочность намытых песков, их изменение во времени (от 2 до 723 суток). Намывались и исследовались пески крупные, средней крупности и мелкие, отличающиеся широким диапазоном максимальной молекулярной влагоем-кости (4-13%) и коэффициента фильтрации (2-15 м/сут).

M:

- -¿и -

8 результате проведенных исследований выявлены следующие закономерности:

1. Независимо от дисперсности намываемых песков формирование их плотности происходит тем интенсивнее, чем выше степень дренированное™ основания.

2. При одинаковой дренироваяности естественного основания плотность намытых песков тем выше, чем меньше степень их дисперсности, то есть чем крупнее намываемые пески.

3. При намыве на недренированное или слабодренированное основание (К® = 0.01 - 0.1 м/сут) плотность мелких песков характеризуется значениями р ¿(е), отвечающими показателю относительной плотности За = 0.3 - 0.37, то есть пески находятся в рыхлом сложении или средней плотности на грачи с рыхлыми. 3 лесках средней плотности значения повышаются до 0.36 - 0.42, то есть соответствуют средней плотности, однако не обеспечивают необходимой несущей способности и динамической устойчивости, й только крупные пески, особенно намытые на хорошо дренированные основания, приближаются к плотному сложению и<з = 0.62 - 0.54).

4. Для песков, крупных и средней крупности, а также мелких, намытых на хорошо дренированное основание, подтвердилась установлен-' ная ранее закономерность завершения уплотнения их во времени к моменту снижения влажности до значений, близких к величине максимальной молекулярной влагоемкости (И.В. Дудлер, А.Н. Юлин, В.А. Латалина). При' намыве мелких песков на недренированное основание (К® = 0.01 м/сут) или плоходренкрованное (К® = 0.1 м/сут) основание процесс незначительного уплотнения во времени косит кратковременный характер и завершается при снижении влажности до значений, заметно превышающих (на 5-3«) величину максимальной молекулярной влагоемкости.

0. Увеличение интенсивности намыва, в частности укладка песков одним слоем на вся высоту намывной трдгси, приводит к существенному (з 1.5-2 раза) снижению плотности мелких намытых песков, обладающих низкой водоотдачей.

б. На результаты формирования плотности намытых песков существенное влияние оказывает содержание пылеватой фракции. Особенно зто сказывается в песках крупных и средней крупности, в которых увеличение пылеватой 'фракции с 0 до 5,1 приводит к снижению К» 5 1.5-2.5 раза, а при возрастании ее до 15% значения уменьшается в 4-5 раза, снижаясь-до значений 2.4-2.-8 м/сут-, то есть до-уровня, отвечающего мелким пескам.

Таким образом, лабораторные эксперименты подтвердили существенное влияние степени дисперсности намываемых песков и дрениро-ванности естественного основания на формирование и изменение вс времени плотности намывных массивов, во многом объяснили причин; рыхлого сложения намытых мелких песков в изучаемом регионе.

Результаты рассмотренных лабораторных экспериментов были про зерены в ходе натурных исследований, проведенных на трех опытны площадках, грунты естественного основания которых отличались во допроницаемостью и были представлены суглинками, супесью и торфом соответственно. На всех площадках был намыт озерно-аллювиальны мелкий песок, мощностью 4 м.

В ходе регулярных режимных наблюдений в течение трехлетнег периода по дачным радиометрических измерений и испытаний намыть песков динамическим зондированием были подтверждены результаты лг бораторных исследований и дополнительно установлено следующее:

1. При намыве мелких песков на плоходренирующее основание намытом массиве длительное время не происходит-заметной водоотда*

и уровень техногенных вод находится вблизи поверхности. При этом формируется и впоследствии сохраняется рыхлое сложение намытых песков. Со временем происходит некоторое снижение уровня техногенного водоносного горизонта, способствующее переходу песков верхнего слоя в среднюю плотность, но ниже этого уровня они "остаются рыхлыми.

2. Как выше, так и ниже уровня техногенного водоносного горизонта плотность намытых песков тем выше, чем выше водопроницаемость подстилающих грунтов естественного основания (табл. 1).

Зависимость плотности мелках намытых песков от водопроницаемости (дренирующей способности)

естественного основания и положения техногенного водоносного горизонта

Таблица N 1.

Плотность сухого грунта намытого на естественное основание 1 Значения ра при Кф подстилающего основания в м/сут

0.01 0.1 10

! 1 I • „ выше УГВ 1.44 - 1.45 1.48 - 1.52 1.55 - 1.61

1 РсЬ С»" 1 ниже УГЗ | I •1.25 - 1.42 1.25 - 1.48 1.42 - 1.58

Полученные результаты подтвердили актуальность для рассматриваемых региональных условий разработки эффективных способов технической мелиорации намытых песков с целью обеспечения необходимой несущей способности намывных оснований.

■ Четвертая глава посвящена экспериментальным лабораторным и натурным исследованиям по совершенствованию способа глубинного виброуплстнения намывных песков в региональных условиях Западней Сибири.

3 Ксйео?£г приоритетного направления повышения эффективности глубинного виорсуплоткения наивных мелкодисперсных песков было принято обеспечение оттока воды из зоны вибрирования для ускорения ' процесса консолидации грунта. При этом было признано целесообразным использовать эффект появления избыточного перового давления воды при разжижении песков для ее самоизлияния на поверхность уплотняемого массива. ■ ■ ••; • ■ з* качестве дополнительных путей повьанёнйя З'^егсгавмфст" '>;--":;;~бикйого виброуплотнения'"• песков были приняты'поиск- оптимальных' па«:;-? •• "раме?ров вибрации и угла.поворота горизонтальных- -элементов}' .преет;-! ранственного стержневого уплотнителя с учетом структурных особенностей и свойств уплотняемых песков. •

Лабораторные опыты проводились на' специальной установке, включающей гидравлический лоток (100*50*70 см), оборудованный дренажной системой и пакетом поропьезометров для контроля порового давления воды; комплект виброуплотнителя с насадкой типа "елочка" в масштабе 1:10, по отношению к установке ВНЙГС, и комплект измерительной аппаратуры.

Исследования процесса глубинного виброуплотнения проводились на песках мелких, средней крупности и крупных в диапазоне частоты колебаний от 5 до 800 Гц и амплитуды колебаний от 0.3 до 6.5 мм. Наблюдения за динамикой происходящих процессов выполнялись в течение 2 месяцев.

В предварительных сериях опытов использовались уплотнители стандартного типа, в последующих - специально разработанные перфорированные вибронасадки для обеспечения оттока воды из зоны вибрации на поверхность. Перфорированная часть стержневого уплотнителя

была обернута фильтрующим материалом типа "дорнит" для исключения кольматации; нижнее отзерстее было закрыто заглушкой, а к верхней части прикреплен патрубок для отвода поровой йоды.

В первой серии опытов изучались закономерности изменения норового давления. В частности, установлено возрастание порового давления с глубиной-и-влияние-•дисперсности песков на значения избыточного порового4 давления-и--время его. рассеяния. Независимо от параметров вибрации.. значения этих- показателей существенно возрастали с повышением дисперсности уплотняемых песков: Так, например, при м = 400 Гц и А = 3 мм получено:

Песок Крупный Средней крупности Мелкий

итах. мм.вод.СТ. к!тах> МИН ^релакс•.мин 45 > 0.5 1.2 70 0.75 3.0 93 1.5 5.6

Для всех песков, независимо от крупности, был выявлен обший характер стадийности в изменении порового давления, начиная с момента приложения вибрационных нагрузок до времени его полной релаксации.

Во второй серии опытов оценивалась эффективность ■ организации "самооттока" поровой воды из зоны вибрирования на поверхность уплотняемых песков. Эксперименты подтвердили ожидаемый результат: осадки поверхности песка по оси погружения перфорированного виброуплотнителя возросли в 1.5-1.8 раза, а радиус зоны эффективного уплотнения увеличился в 1.3-1.7 раза по сравнению с применением сплошного (неперфорированного) уплотнителя (рис. 3).

оа лозрумеыия оисРоЭеены , ---Цен.

065

0.67

? Л Л/

Ш

/.¿О <АС

"ьоеАКнасго.гРэнга сс ■ымсгнени^ ,.^

а)

и /С

& &

X, 12 лс

ь.

— псоерх. остб ¿Аул'лчг лссле

— то ке^ергз. су/пхи

— трое сумсх

Рис. 3. Осадка поверхности грунта после уплотнения:

а) глубинное виброуплотнение с оттоком воды через вибродрену;

б) то же, без оттока воды.

& № /,65

ОА?

3 /5 20 30 -5О гцГч

3£>

> 1

\ V. \\

"И ) \ /2 V

Нем. \ 1 1

<,0

Рис. 4. Изменение показателей

плотности песков по глубине экспериментального лотка: 1 - после намыва; 2 - уплотнение

без оттока воды; 3 - то же, с оттоком воды через перфорированную насадку.

¿¡.67-(Я

Рис. 5. Плотность мелкого песка

на глубине: 1-40 см, 2 - 30 см, 3 - 20 см после глубинного виброуплотнения при различной частоте колебаний с А = 3 мм.

О йГ -5О А5 60 75 , 90 -Л ¿опт. Ч

Рис. 6. К определению оптимального угла поворота лопас тей вибронасадки "а ОПт-

си -

Существенно возросли и абсолютные значения■показателей плотности песков (через сутки/через 10 суток):

Пески намытые после уплотнения без оттока воды после уплотнения с- оттоком воды

Ра, г/см3 За 1.30/1.34 0.34/0.33 1.35/1.43 0.34/0.48 1.50/1.55 0.64/0.71

Характерно, что применение перфорированного уплотнителя дало наибольший эффект в нижних слоях уплотняемой толяш песков за счет возрастания порового давления с глубиной и созданием в нижних слоях лучшего оттока воды (рис. 4).

В третьей серии опытов были определены оптимальные параметры вибрации, обеспечивающие максимальный эффект уплотнения. Наибольший интерес представляют данные об оптимальной частоте вибрации, которая для изученных мелких песков (и песков средней крупности с повышенным содержанием мелкодисперсных фракций) оказалась равной 15 Гц (при амплитуде 3 мм) - рис. 5.

В заключительной серии лабораторных экспериментов изучалось .влияние угла поворота горизонтальных элементов стержневого уплотнителя на качество уплотнения намытых- песков. Заметим, что в стандартных уплотнителях горизонтальные элементы (лопасти) имеют угол поворота (атаки) сс = 0°. Такое положение лопастей затрудняет погружение уплотнителя и вызывает дополнительное разуплотнение песка при его извлечении. В экспериментах использовались уплотнители с ос от 0 до 90°. Как и ожидалось, наибольший эффект был достигнут при значениях а, близких к углу внутреннего трения изучавшихся мелких, морфологически необработанных песков (рис. б).

Следует заметить, что эффективность применения уплотнителя с оптимальным углем поворота лопастей была подтверждена и. в опытах при закрытой"дренажной системе лотка, моделирующей нахождение намытых песков на кедренирующем основании. Так рыхлые намытые пески (3<з=0.2) после вибрации с уплотнителем при ч = 0° остались рыхлыми (3а=0.33), а при а = 45° была достигнута средняя плотность (7^=0.45). При этом обеспечивалась практически равномерная плотность .по Всей глубине уплотняемого песка^'Причем.при^Мрёхаде^'от^й -' 0°:К а = 45° обеспечивалось, приращение плотностй"'сухого песка. на 0.03-0.06 г/см3. • ■ ■ - ''г:*.?; " ^

С целью проверки полученных результатов в полевых-условиях были проведены натурные исследования на одной из экспериментальных площадок в Заречной части г.- Тюмени, характеризующейся сочетанием ряда, характерных для Западной Сибири, неблагоприятных факторов для создания намывного основания: мелкие озерно-аллювиальные пески были намыты 4-х метровым слоем, причем нижние слои в стоячую воду; естественное основание- недренирующее (суглинки и- глины). В период проведения исследований техногенный уровень грунтовых вод находился на глубине 1.0-1.25 м.

Глубинное виброуплотнение намытых пескоз осуществлялось специально сконструированной модифицированной установкой УГВ-2 на базе трубоукладчика Т-100. В комплект установки входил перфорированный уплотнитель. Направляющая мачта обеспечивала его вертикальное погружение, а специальное залавливающее устройство облегчачо . проходку верхнего упрочнившегося слоя неводонасьщенных песков и ускоряло погружение уплотнителя на расчетную глубину 4 м. Перфорированная часть уплотнителя - зибродрена.была покрыта в два слоя материалом "дорнит'Ч поверх которого крепилась металлическая сетка,

выполняющая роль механической защиты и экрана для отталкивания глинистых частиц за счет подачи на нее электрического напряжения (35 В) через поникающий трансформатор; «¡инее отверстие трубы уп-' лотнителя закрыто заглушкой для направления вверх потока поровой воды, поступающей под влиянием избыточного порового давления, и издевающейся через специальный патрубок.

К вертикальной трубе-дрене уплотнителя были прикреплены 24 пластинчатых элемента (45*15*1.5 см) с шагом 0.5 м. Конструкция позволяла менять угол их поворота, для передачи вибраций использовался стандартный вибратор В-401А (мощность 58 кВт, амплитуда - б мм, частота колебаний 25 Гц, ускорение колебаний 3750 мм/см3).'

В процессе исследований апробировались схемы глубинного виброуплотнения песка без оттока и с оттоком воды при а = 0° и а = 45°; использовался равномерный режим движения уплотнителя при его подъеме (по рекомендациям В.Л.Чурманова). При проходке верхнего маловлажного слоя песков через уплотнитель подавалась вода для их насыщения до значений Sr=0.8. Время виброуплотнения (Т) рассчитывалось по предложенной автором формуле [13, учитывающей параметры уплотнителя" (h - длина перфорированной части уплотнителя, г - радиус трубы-дрены), водопроницаемость песков (к©), толщину уплотняемого слоя (Н) и радиус зоны эффективного уплотнения песка (R) (на дачный способ по заявке на изобретение per. М 5047597/33 получено положительное решение от 20.05.94'о выдаче патента)

R2 * Н

Т = -----— [13

К * r(r + h) * кг,

где R = 2(1 + г), 1 - длина горизонтального элемента (лопасти),

к - поправочный безразмерный коэффициент определен экспериментальным путем и равен 2.4.

Контроль качества уплотнения осуществлялся радиометрическим методами (приборами ГШГР-1 и ВПГР-1) и динамическим зондированием (УБП-15) через 1, 5, 10, 20 и 30 суток прсле виброуплотнения.

Результаты, исследований' 'полностью подтвердили эффективность предложенного способа ЪЬ^анизйшш. отвод'а воды из зоны уплотнения и .использования уплотнителя 'с а45° (рис. 7).. Особо важно отметить, что применение перфорированного уплотнителя с."« = 45° обеспечивало достижение ке только достаточно высокой, но и равномерной ■ плотности песка по всей толще намытого массива. Характерно, что при этом был выявлен избирательный.характер уплотнения, выравнивающий плотность песков и линейно связанный с ее начальным значением. Особое значение имеет уплотнение намытой толщи песков ниже 2 метров (зоны сезонного промерзания грунта при устройстве фундаментов) .

С учетом проведенных исследований, обобщения опыта создания намывных оснований и установленных в регионе зависимостей между показателями плотности и физико-механических свойств песков различной крупности автором предложена методика их прогнозирования для условий применения разработанной установки УГВ-2.

По результатам натурных исследований была выявлена зависимость величины приращения плотности (+д ра) намытых песков после виброуплотнения от ее начального значения (ранач). На основании этой зависимости возможно определение ожидаемой (конечной) плотности песков после глубинного виброуплотнения (ракон) по формуле:

ракон = Сранач + "(р<зтах - Рбнач) * К] * 0.97

где К - эмпирический коэффициент, учитывающий особенности намывных песков и способа глубинного виброуплотнения, 0.97 - коэффициент запаса.

Исследуя установленные в регионе зависимости Е = ИрсО> Ф = = Ире), с = Ира), возможно прогнозное определение этих показателей и физико-механических свойств каждого вида намытых песков.

033 С>6? #

г.о---Л 'К \

Ю-4-4-

"V :П

Л/Д" V 1 2 1 Ы

..Рис. 7. Сопоставление данных о плотности.

1 - свеженамыгые, возраст 3 месяца; 2 - уплотнение УГВ с а = 0 без оттока воды (через 5 £уток); 3 - уплотнение УГВ ■ с й - 45 без оттока воды (через 5 суток); 4 - уплотнение УГВ с « = 45 с оттоком воды (через о суток).

033 Ш —.-)—

\ \ \ А Л

\ * \ \

/ / / 1 )

Ин\у / 2 1 Ь 4

выводы

1. Региональные инженерно-геологические условия Западной Сибири следует относить к категории сложных для создания намывных оснований. Важнейшими осложняющими факторами являются мелкодис-

- -персный состав местных карьерных песков и наличие недренируюших или слабодр'ещюующих ;сснованийч;>ч?о'предопределяет -рыхлое -сложение ■ и длительную консолидацию- намывныхпесков, невозможность -использования их в качестве несущего основания ' зданий и сооружений без *- применения методов технической мелиорации.

2. Регионально-геологические и зонально-географические условия в пределах районов существующего и перспективного создания оснований отличаются существенной неравнозначностью. Для их учета целесообразно использовать предложенную автором типизацию инженерно-геологических условий создания намывных оснований в рассматриваемом регионе.

3. Песчаные грунты региона, используемые для возведения намывных оснований, отличаются повышенным содержанием мелко- и тонкодисперсных фракций, значительной степенью морфологической необработанности частиц, относительно низкой водоотдачей и уплотняет мостью. Это обуславливает формирование при намыве оснований-с низкими показателями физико-механических свойств.

4. Намыв на недренирующее или слабодренирующее основание, особенно при использовании мелких песков и высокой интенсивности укладки их слоем большой толщины (до 4 м), неизбежно приводит к

. образованию толщи песков рыхлого сложения, а также к высокому положению в ней уровня техногенного водоносного горизонта, что исключает или тормозит развитие процессов естественного уплотнения и упрочнения намытых песков во времени. Поэтому, для использования

их в качестве естественного основания с мелкозаглубленными фундаментами, требуется проведение технической мелиорации намытых песков. ... .

5. Низкая водоотдача намытых песков, наличие недренирующих или слабодренирующих естественных оснований обуславливает возникновение при вибрационных воздействиях высокого избыточного порово-го давлениями.длительное время его релаксации. Это снижает эффективность уплотнения .намытых;, песков традиционными способами на базе использования .установки;,^ипа УГВ-1.

6.. Для ,повышения эффекта .глубинного .;виброушютнения песков при подготовке намытых, оснований в рассматриваемых региональных условиях - приоритетное значение имеют организация отвода воды из зоны вибрационных воздействий. Практическая реализация этой задачи обеспечивается разработанными автором способом и техническими устройствами (заявка изобретение N 5047597/33, положительное решение о выдаче патента от 20.05.94).

7. Дополнительный эффект повышения качества глубинного виброуплотнения мелкодисперсных грунтов достигается благодаря расположению пластинчатых элементов пространственного стержневого уплотнителя под оптимальным углом (АС 1707137 от 22.09 .-91), а также вы-

«V

бору оптимальных параметров вибрации (заявка на изобретение, N госрегистрации 5039437/33, положительное решение о выдаче патента от 20.05.94) с учетом особенностей уплотняемого намывного массива.

8. Формирование намывных оснований зданий и сооружений в региональных .условиях Западной Сибири требует инженерно-геологического обоснования и управления в соответствии с приведенными в данной работе рекомендациями.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. К вопросу оценки строительных свойств намывных грунтов / Пути повышения технического уровня строительства в Тюменской области: Тезисы докладов областной научно-практической конференции -Тюмень, 1987. - с. 52-53.

2. Об особенностях изменения свойств намывных грунтов Западной Сибири во времени / Пути повышения технического-уровня строительства в. Тюменской области:. Тезисы докладов областной ..научно-практической конференции - Тюмень, 1987.' - с. 36-37. Соавтор Кушнир С.Я.

3. Инженерно-геологическое районирование техногенных массивов Западной Сибири / Проблемы и праткика строительства в Тюменско! области. Тезисы докладов областной научно-практической конференции - Тюмень, 1990. - с. 9-10.

4. Контроль качества виброуплотненного грунта / Проблемы и практика строительства в Тюменской области. Тезисы докладов областво: научно-практической конференции - Тюмень, 1990. - с. 16-18.

5.- Экспериментальные исследования по совершенствованию метода глу бинного виброуплотнения мелкодисперсных намывных песков. В кн Иаженерно-геологические условия, основания и фундаменты транс портных сооружений в Сибири. Межвузовский сборник научных тру .дов - Новосибирск, 1991. - с. 12-18. Соавтор Дудлер И.В.

6". Авторское свидетельство N 1707137 от 22.09.91 "Способ глубинно го виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов и усч

ройство для его осуществления. Соавторы:,- Дудлер И.В., Кушнир С.Я., Конкин B.C.

7. Заявка на изобретение N 5047597/33 Способ глубинного виброуп-лотяения мелкозернистых водонасыщенных грунтов и устройство для его осуществления. Соавторы: Дудлер И.В., Кушнир С.Я. (положительное решение о выдаче патента от 20.05.94).

8. Заявка на изобретение N 5039437/33. Способ глубинного уплотнения. песчаных грунтов. Соавторы: Дудлер И.В., Кушнир С.Я. (положительное решение о выдаче патента от 20.09.94).

Тюмень, ротапринт ТюмМСИ, заказ N iiO