Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Кластерный анализ в оценке просадочности лессовых пород (на примере г. Волгодонска)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Кластерный анализ в оценке просадочности лессовых пород (на примере г. Волгодонска)"

•II £1 Г ССУДА

гГКЬЯ УКЕЕЕРСИТЕТ

Р Г 5 ОД

На права:-: рукописи

2 Ь АПР 1905

Еразоз д.1тзгл!1;р Алексеева

УДК 624.121

КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ В ОПЕНКЕ ПРССАДСЧНССТИ ЛЕССОгЬК ПОРОД (НА ПРИ,ЕРЕ Г. ВОЛГОДОНСКА)

Спецз:ал;нссть: 04 00 07 - инленериая геология, «ерэлотоЕзденне и груктонеденз:е; С4 СО С5 - гидрогеология.

Автореферат Диссертации на соискание ученой степ-знз! кандидата геолсго-мзшералогически наук

Ростов-на-Лону - 1995

Работа выполнена в Ростовсксй-на-Дсну Государственной Академии Строительства

о

Научный руководитель - заслуженный деятель наук: и техники России, доктор геолого-минера-логическлх наук, профессор Ананьев Всеволод Петрович..

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, профессор Корсбнзш Владимир Иванович.

- кандидат геолого-минералогических наук Рево Владимир Иванович.

Ведущая организация - РостсвДснТисиз.

Защита состоится "12 "ноя 1995 г. в "'часов • на заседании специализированного совета К 062.52.10 гео-дого-географического факультета Ростовского Государственного Университета но адресу: 34-1090, г. Ростов-на-Дону, уд. Зорге 40. Геолого-географическии факультет, аудитор!« 202.

С диссертацией моано ознакомится в научной библиотеке Ростовского Государственного Университета.

Автореферат разослан " II " апреля 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 063.52.10, кандидат геолого-мияералоги-

ческих наук Назаренко Владимир

Степанович

РЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ Применение кластерного анализа открывает новые вогмолности в икленерной геолог;:;; лессовых грунтов. Применение его в сочетании с регрессионным анализом, позволяет определят! величину обпей просадки от собственного веса с учетом реализовавшихся прссадочных деформации. Это является актуальной задачей при существующих з лессовых грунтах неравно:,'.ерностях проявления прсса-дочкостк. В настоящее время, практические разработки по количественной оценке этих неравномерностей отсутствует. В связи с этим, предлагаемая в работе методика, позволяет определять общую величину просадочности и делать прогноз по ее реализации в будущем, это имеет существенное практическое и научнее значение.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является разработка научно обоснованного подхода и практических рекомендаций по оценке просадочности лессовых грунтов методами кластерного.и регрессионного анализов. Для достижения поставленной цели, в работе решаются СЛЕДУЮЩИЕ ЗАДАЧИ:

1. Сценка прссадочных свойств на примере лессовых грунтов г. Волгодонска.

2. Поиск и обоснование индекса просадочности, как обобщенного показателя прс-садочных свойств лессовых грунтов.

3. Разработка принципов зонирования территорий лессовых отделений по индексу просадочности.

4. Решение задачи таксономии лессовых толд по площади и по глубине на основе индекса просадочности и выявление закономерностей его изменения.

5. Сопоставление результатов таксономии с гидрогеологическими условиями территории.

В. Разработка методики определения общей величины просадки лессовых грунтов от собственного веса.

7. Еыработка рекомендаций по практическому использовании полученных результатов для лессовых грунтов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПйТО&ЕШЯ: "• •

1. Применимость кластерного анализа для оценки просадочкых свойств лессоЕых грунтов.

2. Возможность сочетания кластерного к регрессионного анализа в оценке просадочньн деформаций лессовых грунтов.

3. Использование индекса просадочности, как показателя увязывавшего величины просадок от собственного веса с мощностями проса-

дочных толя, 51 отражаемо неравномерности проявления прссадсчнос-ти в вэде тренд - поверхности.

•1. Необходимость анализа гидрогеологической обстановки с целью выявления несузестзуших кластеров.

НАУЧНАЯ НОШаНА работы:

1. Епервые предложено применение кластерного анализа для ре-гения задач, связанных с оценкой просадочности лессовых грунтов.

2. Еыязлека возможность сочетания кластерного и регрессионного анализа в оценке просадочности лессовых грунтов.

3."Предложен новый обобщенный количественный показатель для оценки прссадсчных свойств лессовых толщ.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ работы состоит в возможности применения кластерного анализа при инженерно-геологических изысканиях, для определения общи величин просадок в лессовых грунтах от собственного веса с учетом ранее реалязозазсихся просадочных деформаций. Это позволяет Солее точно прогнозировать возможные величины просадочных деформаций а основаниях ранее возведенных зданий и сооружений.

ОАКТИЧЕСКЛЯ МАТЕРИАЛ. В основу диссертационной работы положены:

- фондовые материалы РостовДонТИСИЗА и публикации научных изданий по лессовым отложениям района г. Волгодонска.

- полевые и лабораторные исследования лессовых грунтов, проведенные автором в 1937-1993 гг в" межвузовской научно - исследовательской лаборатории "Повькення эксплуатационной надежности сооружений и испытания конструкций" и на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов Ростовской Государственной Академии Строительства.

- математические исследования, проведенные на базе существующих и специально созданных программ, с применением компьютерной техники (1ЕМ РС'АТ - ХТ, '2аб - 486). '

¿ПРОБАЛИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАДИИ. Основные положения исследований опубликованы в шести журнальных статьях и докладывались на научно -технических конференциях Ростовской Государственной Академии Строительства (1990, 1994 гг.), всесоюзном совещании по лессовым породам в г. Ростове-на-Дону (1989 г.), всесаозной научно-практической кощ£ерениии в г.Барнауле (1990 г.).

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков и iI таблиц, состоит из введе-

ния, семя глав, сбаих еыеодсз, списка использованной литературы иэ 121 наименовании и приложений на ¡5 страница/:.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРЕОЯ ГЛАВЕ приводится краткая историография лессоведения, анализируется современнее состояние вопроса по сценке проявления прссадочности и подтопления лессовых толя. Показано качало применения кластерного анализа в инженерной геология и даны его основы, также приводятся осноеы регрессионного анализа.

Важным разделом современного лессоведения является цикличность строения лессовых толя, исследованиями которой занимались Я. Е.Шаевич, Е.Т.Трофимов, А.К.Ларионов, Ю.Н.Карагодин и другие. Особое значение для настоящей работы имеет положение Ю.А.Багдасарова, Я.Е. ffiaeaiwa и др. о существовании зависимости между величинами проездок от собственного веса к мощностью просадсчных тола.

Изучению изменчивости сзойств лессовых грунтов посвящены работы В.П.Ананьева, С.А,Акияфеева, Е.И.Еехера, Г.К. Бондарика, Н.Е. Еоляника, Г.И. Еоробьева, Р.С.Зиангироза, Е.й. Короб кина, Э.В.Маз-лянова, С.С.Саватеева, 3. И.Ткзчука, Е.Т. Трофимова, П.П. Царева, Я.Е.Шаевича и многих других ученых. С-собый интерес для нашх исследований представляют работы Г.К.Еондарика, где используется концепция поля геологического параметра к вводится понятие интегрального показателя инженерно-геологических условий.

Изучения процесса подтопления застроенных территорий посвящены работы Б.П.Ананьева, Н.В.Еоляника, О.Е.Слинко, В.Д.Бабенко, Е.В.Золочевского, В.С.Зпдьберга, Ю.И.Олянского, И.В.Финаева, Э.Г.Рудченко, Г.И.Домрачеза, В.В.Гороховского и многих других ученых.

Отечественными ученши, первыми применившими кластерный анализ при инженерно-геологических исследованиях лессовых грунтов, являются В.П.Ананьев, O.K. Хансиваров к U.И.Черкасов. Работы эти ученых является началом нового и перспективного направления исследовании лессовых образований. Данная диссертационная работа является новым этапом в развитии этого направления.

Основы кластерного анализа приведены по работе американских ученых Ц.С.Олденфендерфера и Р.К.Блешвилда. Кластерный анализ -это общее название множества вычислительных процедур, используемых при создании классификаций. В результате работы с процедурами образуются "кластеры" или группы очень похожих обгектов. Кластеры -это непрерывные области некоторого пространства с относительно вы-

сокой плотностью точек, отделенные от других таких де областей областям;! с относительно низкой плотностью точек.

Существующие кластерные методы образуют семь основных семейств: 1. иерархические аглсмеративнке методы; 2. иерархические дивиоимные методы; 3. итеративный метод группировки; 4. методы поиска модальных значений плотности; 5. факторные методы; 6. методы сгущения; ?. методы использующие теорию графов. Эти семейства соответствуют различным подходам к созданию групп и применение различны;; методов к одним и тем де данным может привести к сильно различаемся результатам. Б р&^ках настоящих исследований применяется итеративный метод. К достоинствам этого метода модно отнести то, что он работает непосредственно с первичными данными и позволяет обрабатывать большие их мнодествз. Этот метод порождает кластеры одного ранга, которые не являются вдоденными и поэтому не могут быть частью иерархии. Итератизный метод также не допускает перекрытия кластеров.

Итератизный метод, применительно к данной работе, модно охарактеризовать как метод К-средних в пространстве двух признаков, глубины по разрезу (К) и индекса просадочности (1гр)-

Суть алгоритма K-средних заключается в пошаговом исполнении следующих операций: 1) все начинается с исходного разбиения данных на некоторое заданное число кластероз и вычисления центров тяжести этих кластероз; 2) далее каждая точка данных помечется в кластер с ближаипим центром тяжести; 3) после этого вычисляется новые центры кластеров, при этом.кластеры не заменяются пока не будут просмотрены все данные; 4) действия по пунктам 2 и 3 повторяются пока не перестанут меняться кластеры.

Основы корреляционно-регрессионного анализа приведены, по работе З.й.Ткачукз. Корреляционно-регрессионный анализ исследует прежде всего супестзуюсие взаимосвязи между различными показателл-ш!. Взаимосвязи могут быть функциональными иди вероятностными. Регрессионный анализ исследует поведение случайной переменной в зависимости от изменения неслучайного аргумента. При этом коэффициенты эмпирических уравнений, подученных при регрессионном анализе, часто представляют собой обобщенные значения показателей свойств. Корреляционные схемы отличаются от регрессионных тем, что обе переменные являются случайными величинами, причем каждая может выступать как в качестве функции, так и в качестве аргумента.

ВО ВТОРОЙ ГДАЕ5 приводится обоснование индекса просадочности

- о -

как обобщенного показателя проявления проселочных свойстз лессовых толщ.

В зависимости от поставленных целей, в инженерной геологии с™ес„в,_дт разл;:чнь;э уровни исследований прссадочнсстк. Кэлдому иг данных уровней соответствует свой объект исследовании. При исследованиях: на уровне монолита - это величина относительной проса-дочности; на уровне сквалины -'это совокупность зеличкн относительней просадочности, находящих свое отражение в величине просадки от собственного веса; на уровне лессовых толщ - это их мощности и величины просадок.

Величины просадок и мощности преездочных грунтов взаимосвязаны и, в определенной степени, величина просадки выступает как функция от мощности прссадочнсй толщи. Данный факт отмечен Ю.А.Еагдасаровым, Я.Е.Шаевпчем и др.' Оки утверждают, что зависимость между величиной просади; от собственного веса и мощностью просадочной толщи существует и описывается функцией: Н.-1

5а1------------------- - (1)

-4.532 Н31 + 180.9 где: Б31 - величина просадки от собственного зеса грунта; Нгх -мощность просадочной толщи. Приведенную функцию можно рассматривать как. подтверждение факта существования зависимости величины проездки от мощности просадочной тслщи. £ связи с этим, предлагается показатель увязызавций между собой зеличину просадки от собственного веса и мощность просадочной толщи. Это - индекс просадочности Огр). с помощью которого модно выразить величину просадки от собственного веса (321,е). как логарифм величины 1ГР по основа-нив величины мощности просадочной толщи (Нзх).

Бз1г - 10'гнз11гр , (2)

Отсюда вытекает степенная функция: 1гр - Н315з1е' . (3)

Предложенный индекс просадочности является обобщенным показателем просадочкых свойств лессовых грунтов и позволяет выражать их неравномерность в виде тренд-поверхности. При этом, он представляет ее безразмерными цифровыми величинами от 1.000 (что соответствует непросадочным грунтам) до любых реальных максимальных значений (например 7.598 - что соответствует величине просадки 63.0 см при мощности просадочной толщи 25.О м). Изменение величины индекса просадочности соответствует изменению величины просадочности (увеличе-

- б -

нкга иди убыванию). Это позволяет его успешно применять для оценки просадочных свойств лессовым тслз методом кластерного анализа.

В Т?5ТЬЕл ГЛАЕЕ приведена' инженерно-геологическая и гидрогеологическая характеристика района г. Еолгодонска, на примере которого рассматривается применжость кластерного анализа для оценки просадочности лессовых грунтов.

Территории исследования расположена на лезем Серэгу Цимлянского водохранилища з предела;: водораздела между его заливами Сухо и Накро-Соленый. В геоморфологическом отношении данная территория приурочена к IV надпойменной террасе р.Дон и частично к Добровольскому останцу неогеновых пород. Инженерно-геологические условия характеризуются наличием четвертичной толши лессовидных суглинков модностью до 20 м. Лессовидные суглинки имеют трехярусное строение. Верхний (ео1й'Зш) и средний (еоХйЦц) ярусы эолово-делювиальные, нижний ярус представлен делювиальными суглинками и глинами (йСЦ). Верхний ярус залегает до глубины 15-16 м, средний до 25-28 м и нижний до 28-22 м. При этом, без явного перехода, делювиальные нижечетзертичкые отложения сменяются аллювиальными суглинками и глинами (аЩ|) фации стариц и пойм. Ниже фации стариц и пойм замещаются русловой фацией, представленной мелкими и пыяезатьаш песками, с залегающими з верхней части слоя прослоями серовато-зеленых глин. В пределах лессовой толст выделяются шесть погребенных почвенных горизонтов мощностью 0.2-1.5 м.

На исследуемой территории распространены лессовые • грунты первого и второго типа по просадочности.' Просадочнши свойствами обладают суглинки верхнего и среднего яруса. ' Ееличияы относительной просадочности различны' и лежат в пределах 0.001-0.123 (при нагрузке 0.3 МПа). Мзкышаяьная величина просадки от собственного веса равна 63.3 см. Еа дневной поверхности территории в ряде мест отмечаются многочисленные проеадочные блюдца/

Еьзделено четыре основных случая проявления просадочных свойств лессовых грунтов на территории исследования. 1. Проеадочные свойства закономерно нарастают в направлении к водоразделу между заливами Цимлянского водохранилища Сухо и МокроСоленкй (территориально это центральная часть новой части города Еолгодонска). 2. В направлении к Щашшскому водохранилищу проеадочные свсйствз грунтов постепенно уменьсастся. 3. В районе контакта лессового покрова с Добровольским оетанцом отмечается резкое изменение мощности про-садочнсй тодди и величины просадки от собственного веса. 4. На

исследуемой территории существует явная зависимость в соотношении величин мощности и прссадсчности лессовых грунтов. Данная зависимость выражается в том, что в целом, чем больсе мощность прссалоч-ной толщи, тем больпе величина просадки от собственного веса грунта.

Наиболее существенное влияние на просздочкость лессовых грунтов оказывают особенности гидрогеологического режима территории.

На период предшествующий интенсивному строительству (до 1972 г), исследуемая территория имела естественный режим подземных вод и характеризовалась наличием дзух водоносных горизонтов. Еерхний из них располагался (и располагается) в эолово-делювиальных лессовых отложениях. Второй водоносный горизонт приурочен к аллювиальным песчаным породам расположенным ниже серо-зеленых глин.'Он имеет гидравлическую связь с Цимлянским водохранилищем и характеризуется наличием напора. Подземные воды залегали на абсолютных отметках порядка 21.0 - 36.0 м.

Начиная с 1972 года, после начала интенсивного освоения территории, произошло резкое изменение естественного режима подземных еод, вкзваваее обводнение лессовой толщи. В ряде мест произошло образование куполообразных поднятий уровня подземных вод (УПВ) достигавших 2.0 - 4.0 м за период 20 - 30 суток. При этом перепады глубин УПВ достигали перепада в 7.0 - 9.0 м на относительно небольшом расстоянии в 120.0 - 150.0 м. Несмотря на то, что процесс обводнения лессовой толщи динамичен во времени, качественный анализ его развития на протяжении ряда лет, позволил разделить исследуемую территорию на три зоны по гидрогеологическим условиям.

Первая зона расположена на "территории микрорайонов В-2, В -П, В-Р, кварталов А-А2, общежитий, профтехучилищ и частично микрорайонов В-С, В-1. С запада данная зона ограничена заливом Сухо-Соленый. Гидрогеологический режим первой зоны определяется тем, что она расположена на Добровольском останце неогеновых пород, залегающих па глубине 5.0 - 10.0 ы от поверхности и являющихся водоуло-ром. Разгрузкз водоносного горизонта осуществляется в залив Сухо-Соленый и по склонам Добровольского сстанца на территорию второй зоны.

Вторая зона расположена на территории микрорайонов В-0, В -4, В-3, В-5, В-б, В-7, В-16, кварталов Б, Т и частично В-1 (его северо -восточная часть). Эта зона характеризуется наличием мощных локальных куполов подземных вод связанных с утечками из водонесущих ко-

мунникаций и иных источников замачивания. Данные'купола периодически возникают, растут, потом прекращают свое существование иди сливаются с другими себе подобными. Глубина залегания уровня подземных вод крайне различна и колеблется от 5.0-7.0 до 19.0-21.0 м.

Третья зона занимает всю остальную часть нового города и в основном охватызает мало или незастроенную территорию. Гидрогеологический режим данной зоны модно охарактеризовать как близкий к естественному. Глубина залегания УПВ 0.5 - 12.5 м, разгрузка водоносного горизонта осуществляется как в заливы, так и непосредственно в Дымдянсксе водохранилище. При этом, влияние степени наполнения Цимлянского водохранилища на колебание УПВ сказывается на расстоянии 1.0-1.5 км от берега.

В целом, на всей территории новой части г. Еолгодонска отмечается устойчивый реет уровня подземных вод. Средняя скорость подъема составляет около 0.3 и в год.

На основание многолетних исследований проведенных в 1987-1992 -х годах, выявлена и подтверждена основная тенденция развития обводнения лессовой толщи. Фронт замачивания продвигается з направлении с юга на север и с запада на восток по мере освоения ноеых территорий строительством. При этом граница между зтерой и первой зоной постоянно изменяется в сторону увеличения территории второй зоны за счет уменьшения первой.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛЛЕЕ приведен материал по принципам инженерно-геологического зонирования территории лессовых грунтов по индексу просадочнссти. Необходимость разработки данных принципов обусловлена тем, что при заданной уровне масштабирования исследований кластерный анализ ■ нуждается во вспомогательном пространственном, иатематически-корректнсы расчленены! лессовой толщи. При исследованиях на менее обширных территориях (например, строительных площадках под жилой дои), необходимость в данной вспомогательной методике отпадает. Описание принципов зонирования приведено на примере территории новой части г. Волгодонска, и они могут быть полностью применены для других территорий, сложенных лессовыми просадочными грунтами.

В рамках данной работы, под зонированием территорий понимается пространственное разбиение лессовой толии на гоны различающиеся по своим просадочным свойствам и состоящие из территориальных единиц ниэоего порядка.

Принципы инженерно-геологического зонирования по величине ин-

деке а просадочности■включают в себя выполнение следующих операции.

1. Еыбор исходных территориальных единил нпаеего порядка, которые е ходе проведения исследовании должны соответствующим образом перегруппироваться и составить зоны. 2. Еыделение в предела:-: исходных территориальных единиц участков сложенных грунтами со сходными величинами просадок от собственного Ееса и мощностями просадочкой толщи. Площадное измерение этих участков и представление их просадочных свойств посредством индекса просадочности. 2. Вычисление геометрической вероятности отражающей частоту появления грунтов со сходными просадсчными свойствами, по площадным параметрам определенным в п.2. 4. Проведение статистической обработки величин геометрической вероятности с вычислением математического ожидания и дисперсии индекса просадочности, з пределах исходных территориальных единиц, 5. Группирование исходных территориальных единиц в зоны по результатам стат. обработки. 5. Повторная статистическая обработка по п.4 всей зоны (состоящей из исходных территориальных единиц) как единого территориального комплекса.

Руководствуясь выщеизложенными принципами, проведено зонирование лессовых грунтов территории г.Еолгодснска по индексу просадочности. При этом в качестве исходных территориальных единиц выбраны существующие микрорайоны города. Репаащим аргументом при выборе послужило то обстоятельство, что использование в исследованиях не исскуственкых, а практически существующих образований дает больше сачсов получить результаты имеющие не только чисто научное но и практическое значение.

В качестве основы для зонирования использовалась карта инженерно-геологического районирования территории новой части города Волгодонска. На этой.карте специальной, буквенно -цифровой индексацией выделены участки с одинаковыми мощностьп просадочной толщи и просадкой от собственного веса. Несбходззгыз площадные измерения выполнены с помощью планиметра.

Статистическая обработка проводились по формулам: Si

Р (Al)---- ; (4)

Soga

n

МСХ) - Z Irp РСАг); (5)

1-1

n

Día) - L (IrP - М(л))2 PÍA,), (6)

i-l

пде: P (A i) - геометрическая вероятность; Sí - плопадь участка в пределах микрорайона сложенная тем или иным типсм грунта- (га); ~оёя " общая площадь микрорайона; М(Х) - математическое ожидание; 1ГР - индекс просадс-чнссти грунта; D(X) - дисперсия.

Установлено, что з данном случае роль величины дисперсии носит вспомогательный характер и только косвенно может служить мерой оценки неравномерности просадочности. В связи с этим, первостепенное значение имеет величина математического ожидания индекса просадочности. По результатам расчетоз величзиа М(Х) изменяется от 1.054 до 4.620. Исследования показали, что по величине математического ожидания индекса просадочности территория новой части г. Волгодонска, состоящая из 13 микрорайонов, устойчиво делится на 8 зон.

Первая зона - это зона с наименее проявлявшимися свойствами просадочности и их неравномерности, включающая в себя территорию микрорайонов В-2, В-и, кварталов А и А-2. Она расположена на юго-западе г. Волгодонска и приурочена к береговой части залива Сухо-Соленый и Добровольскому останцу неогеновых пород. Просадоч-ность грунтов здесь проявляется слабо, а местами отсутствует. В данной зоне доминирует грунты (43-53%) с величиной просадки меньпэ 5.0 см и мощностью прссадочксй толщи меньзе 10.0 м. Слабс-э проявление просадочнкх свойстз отображает величина математического ожидания (М(Х)) индекса просадочности, изменяющаяся от 1.054 до 1.130 (в целом по зоне 1.077). Низкие значения дисперсии свидетельствуют о практическом отсутствии неравномерности просадочности.

Вторая зона - это зона грунтов с умеренной просздочностью и проявлением ее неравномерности, включает в себя микрорайон Б -10, квартал Т и располагается в западной части города. Данная зона является логическим продолжением первой, тоже прилегает к заливу Сухо-Соленый, но имеет более высокую степень проявления просадочности. Ео второй гоне преобладают грунты имеющие величину проездки от собственного веса меньше 5.0 см и мощность просадочной толщи от 10.0 до 15.0 м (от 55.0 до 58.6 X территории), что находит выражение в более высоких значениях математического ожидания равного 1.171 - 1.121 (среднее по зоне 1.195). U

Третья гона - это зона перехода между зонами с умеренным про-

явлением к зонам с сильно выраженной просадочнсстью. В ее ссст входят микрорайоны В-1, В-3, и Е-5. Вследствие своего "переходи Ф го" характера, грунтовке условия микрорайонов существенно отлич ются друг от друга по степени неравномерности проявлен;« просадо ности. Значения дисперсии составили 0.056-0.182 при средней вел .чине равной 0.243. Повышенное значение для дисперсии МК? В-1 св, зано с залеганием на его территории, наиболее крутого склона Да розольского останца. Здесь, на расстоянии 50.0 - 100.0 м модное просадочной толци изменяется от 2.0-3.0 до 13.0-20.0 м при проса! ке от собственного Ееса - от 0.0 до 30.0 - 40.0 см.

В третьей зоне трудно выделить доминирующие грунты, хотя целом просадочнке свойства микрорайонов примерно одинаковы ( МО равно 1.546, 1.424 и 1.509 при средней величине по зоне равне 1.495.

• Четвертая зола - это наиболее обсирнзя зона, Еключаздая свой состав микрорайоны В-Ц-1, В-Ц-2, Е-7, Е-9 и В-18 имеющая обе носхь территории и четко выраженную направленность с северо -гапа да на юго-восток по срединной части г. Еолгодонска. Характерным для данной зоны являются грунты обладающие величиной просадки о собственного веса 10.0 - 20.0 см и мощностью просадочной толщ 10.0 - 15.0 м. (от 49 до 70 X всей территории). Значение величин: математического ожидания изменяется от 1.564 до 1.749, составляя : целом по зоне - 1.642. Это свидетельствует об относительно равномерном проявлении щюсадочности грунтов, несмотря на то , что н; территории зоны зафиксированы 9 просадочных блюдец.

Пятая зона - это зона яркого проявления просадочностп и высокой степени ее неравномерности. ' Она расположена на плошдди микрорайонов Б-5, В-б, квартала Б и районного парка. Территориально пятая зона занимает срединную часть г.Еолгодонска и вытянута параллельно четвертой. Характерной особенностью зоны является не толъкс наличие доминирующих грунтов (Б31,г до 30.0 см, Н31 до 20.0 м) занижающего до 58 7. всей территории, но и наличие во всех микрорайонах грунтов с более высокими просадочными характеристиками е до 50 см). На территории зоны зафиксировано 16 просадочных блюдец.

Шестая зона - это зона экстремального проявления просадочнос-ти и степени ее неравномерности. Из рассмотренных 18 микрорайонов г. Волгодонска, сюда входит лишь один - В-4, расположенный в центральной части города. Просадочные грунты с величиной просадки от

собственного веса до 50.0 см и мощностью просздочной толщи больше £0.0 м здесь занимают ЗЗЛ. Отаплгельной чертой микрорайона В-4 является наличие грунтов с величиной просадки более 50.0 см. Все это объясняет экстремальное значение величины математического ожидания индекса просадочности равнее 4.620. Ка сравнительно небольшой территории микрорайона сосредоточено пять просадсчкых блюдец. При этом дисперсия достигает максимальных из рассмотренных значений - 4.309.

Разработанные принципы зонирования позволили, на исследуемой территории, выделить шесть зон имеющих четко выраженную пространственную ориентацию. Данные зоны сложены лессовыми грунтами с раз-дичной прссадочиостья, обусловленной особенностью геологического строения, геоморфологии и гидрогеологических условий. Результаты зонирования .могут быть использованы для дальнейших исследований связанных с кластерным анализом.

Проведено СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С ОСОБЕННОСТЯМИ петоГЕСцСГИЧЕСРЦЕС УСЛОВИЯ. Установлено, что так как ксследоза-нпл лессовой толщи проводятся на какой либо определенный период (в случае зонирования - ка 1931 г), то их результаты отображают бывшее з тот момент состояние грунтс-з. Гидрогеологические условия -динамичны, постоянно меняются и соответственно изменяют состояние просадочности. То есть, результаты исследования лессовой толщи, полученные без учета особенностей гидрогеологических условий - не соответствуют реальной ситуации. Данный факт принят во внимание и учтен при выполнении последующих этапов исследования.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведено ресение задачи таксономии лессовых толщ по площади и по глубине, на основе индекса просадочности и выявление закономерности его изменения с глубиной. Репенке данной задачи заключалось в последовательной проведении итеративной разновидности кластерного анализа с последующи!! регрессионным. Исследования проводились с помощью пакета "БУБТАТ" и комплекса специально созданных вспомогательных программ. Возможно применение других аналогичных пакетов прикладных программ.

Объектами исследований являлись индексы просадочности рассчитанные по всей мощности просадочной толщи. Для исследований были отобраны 264 скважины. В качестве первичного материала использовались компрессионные карточки содержащие изначальную информацию.

После проведения кластерного анализа по всей лессовой толш новой части г. Еолгодонска, было выявлено, что исследуемая терри-

тория устойчиво делиться на сесть кластеров. Анализ полученных результатов и сопоставление их с инженерно-геологическими разрезами показывает, что выделенные кластеры представляют собой геолого-ли-тологические комплекса залегающие один над другим, веющие четко выраженные границы и территориальную принадлежность. Нидняя граница кластеров NN 1,2,3 совпадает с элементами залегания соответствующих погребенных почвенных горизонтов, а нклними границами кластеров NN 4,5,6 является нижняя граница просацочяой толщи и кровля непросадочных грунтов.

Установлено, что выделенные кластеры язляготся природными комплексами и в обобщенном виде, соответствуют циклессам.

Следушим этапом исследований, являлось проведение в пределах выделенных кластерах корреляционно-регрессионного анализа. Так как исследуется поведение случайной величины - индекса просадочности в зависимости от неслучайного аргумента - глубины, то согласно определении Э.И. Ткачука, анализ является регрессионны;,!. Целью проведения регрессионного анализа являлось получение зависимости типа (7) в пределах выделенных кластеров.

1гр - С + Н, . (7)

где 1Гр - индекс просадочности; с - const; Н - мощность.

Э.И.Ткачук предлагает градацию оценки связи в зависимости от величины коэффициента корреляции. Ееличзгаа г может может изменятся от - 1 до +1. Положительные значения г свидетельствуют о прямой зависимости, отрицательные - об обратной. Если г - 1, то связь ^функциональная, а интервале от 0.3 до 1 - очень тесная ( до кзази-функционадъной); в интерзале от 0.9 до 0.7 - тесная; в интервале от 0.7 до 0.0 - слабая; при г < 0.5 - очень слабая. Если г - 0, то корреляционная зазпсшссть отсутствует. Е соответствии с вышеприведенной градацией, по результатам регрессионного анализа, зависи-иость величины индекса просадочности с иаменением глубины, для кластеров 1.2.3.4.5 можно охарактеризовать как слабую (г<Б), а для кластере 6 как очень тесную (г - 0.92). Приемлкмые коэффициенты корреляции возможны только после дополительного расчленения кластеров на подкластеры, так как кластеры Ш 1 - 5, охватывают практически вей лессовую толпу и не учитывают пространственной неравномерности просадочности. .

Б качестве основы, для пространственного расчленения кластеров использовались результаты зонирования. На кластеры (представ-ляюздге в обобщенном виде циклессы) накладывались выделенные зоны,

что повлекло автоматическое дробление кластеров на подкластеры.

После разбиения кластеров на подкластеры, з пределах под кластеров был снова проведен регрессионный анализ с целью получения зависимости вида (?). Результаты анализа показывают, что теперь коэффициенты корреляции изменяются от 0.57 (кластер 1, подкластеры 1.3;1.5} до 0.92 (кластер 5, подкластер 6.6). То есть согласно градации предлсленнои Э.И.Ткзчуком, взаимосвязь по подкластерам индекса просадочности с глубиной, модно охарактеризовать в целом как тесную (г от 0.7 до 0.9), з псдкластере 6.6, кластера 6 как очень тесную, а местами как слабую (г <0.7). Ослабление взанмосвя-зп индекса проспдочнсстп с глубиной, отмечается в подкластерах 1.2, 1.5, 1.6 кластера 1. Зто связано с тем, что данный кластер является самым верхним. Вследствие этого слагающие его грунты находятся в зоне наибольшего антропогенного воздействия, что в своя очередь, не мелет не сказаться на изменение природных взаимосвязей.

Установлена, что на исследуемой территории, существует тесная зависимость изменения индекса просадочности с глубиной (отдельные ее ослабления вполне объяснимы). Данный факт полностью подтверждает как правомочность разбиения на подкластеры, так и применение, з целом, кластерного анализа при оценке просадочности лессовых толщ.

Следующим этапом работ являлось СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТАЕССНСНИЛ С ОСОБЕННССТВС; ПЕРСТВОЛОПГЧЕСКЯл УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ. Необходимость дачного соясставления обусловлена тем, что исследование лессовых толщ без учета гидрогеологических условий невозможно. При этом недооценка гидрогеологии может привести к "существенному искажению как самих результатов исследований, так и их значимости.

При сопоставлении результатов таксономии с особенностями гидрогеологических условий территории приняты следующие теоретические предпосылки: 1. Шинюю границу просадочпой толщи определяет уровень подземных вод. 2. Подъем уровня подземных вод вызывает уменьшение мощности лрссадочнсй толщи. 3. Устостъ просадочной толщи всегда меньше глубины залегания подземных вод.

Установлено, что средняя величина мощности просадочной толщи по микрорайонам изменяется от 2.3 (В-2) до 20.7 м (В-4), а средняя величина глубины залегания уровня подземных вод от 4.0 (В-2) до 14.7 м (райпарк). Разность мелду'средними значениями величин модности просадочной толщи и глубины залегания уровня подземных зод

составляет от -2.2 (кв АА2) до +9.1 (кз Б). При этом знак минус указывает, что мощность просадочной толст меньше глубины залегания УПВ*, а знак плюс наоборот, что противоречит принятым теоретически;.! предпосылкам и здравому смыслу.

Анализ проведенный на основе выделенных гидрогеологических зон показывает, что на территории первой зоны величина модности просадочной толщи повсеместно меньше глубины урозня подземных вод. Данное обстоятельство объясняется тем, что первая зона расположена на Добровольском останце, являющегося водоупором, залегающего на небольших глубинах и местами выходящего на дневную поверхность. Интенсивного роста уровня подземных вод здесь практически нет по двум основным причинам. 1. Уровень сформированного горизонта подземных вод находится или близок к зоне аэрации. 2. Наличие природных областей разгрузки в залив Сухс-Соленый и по склонам Добровольского останца.

Для второй и третьей зоны рещзсщую роль играет фактор освоения территорий. Бри этом третья зона является незастроенной, вследствие этого влияние техногенных факторов на ней отсутствует 'или шшимзлъно.

Вторая зона является территорией освоенной в 1972 - 1984 гг. Начиная с середины восьмидесятых годов, на данной территорией установился техногенный гидрогеологический режим вызванный рядом факторов, основными из которых являются утечки из водонесуцих коммуникаций. На территории зоны произошел общий рост водоносного горизонта на-5-15 м и возникли мощные, локальные, куполообразные поднятия уровня подземных вод. К настоящему времени, все это неизбежно вызвало обводнение лессового массива и, как следствие, уменьшение мощности просадочной толщи. При атом материалы изысканий, по которым ревалась задача таксономии были проведены, в своей массе, до 1931-64 года и не могли учитывать гидрогеологической обстановки сложкзсейся в девяностых годах. Данное противоречие приводит к абсурдному утверждению о том, что мощность просадочной тащи больше глубины залегания уровня подземных вод.

Но выявленная абсурдность, является индикатором и указывает на необходимость, приведения полученных результатов в соответствие с современной реальностью. Дополнительный анализ, проведенный на основании вышеизложенного, показал, что с 1985 года объемы грунта соответствующие подкластерач 4.5, 4.6, 5.5, 6.6 находятся ниже уровня подземных вод. Иными словами, в настоящее время данные

подмастеры, как таксономические единицу выявленные кластерные.! анализом, - не существуют.

Таким образом, можно констатировать, что анализ гидрогеологической обстановки при выполнении кластерного анализа обязателен и является нестъемлимои часть» решения задачи таксономии лессовых толе.

В 1П£СТС,1 ГЛАВЕ изложена методика определения общей величины просадки от собственного веса, учитывающей ранее реализовавшиеся просадочные деформации. Суть данной методики заключается в следуга-ше.м.

1. По материалам изысканий определяется существующая величина просадки (Ssi.pi), мощность просадочной толщи (Н3ц) и уровень подземных вод.

2. Проводится комплексный анализ имеющихся материалов основанный на знании местных условий. При этом по совокупности признаков (особенности пнлекерно-геологического строения, характер залегания слоез, уровень подземных вод, наличие водсупора и т.п.) определяется предполагаемая граница просадочной тодгл существовавшая до начала прссадочных деформаций. По предполагаемой границе определяется сущеетзсвавпгя мощность просадочной толщи (Нд12)-

3. 2кач Н312, Нгц и местоположение скважины, по разности величин Нз12"Нзн определяется соответствующий данному интервалу глубин подкластер.

4. По соответствующему данному подкластеру уравнении регрессии рассчитаем индекс просадочности (1Гр рас)*

5. Зная величину Н312 и 1гр рас определим общую величину просадки от собственного Беса (531,е общ), как кратность корня которую необходимо извлечь из индекса просадочности чтобы получить величину Нд12-

Примечание: В данной методике необходимо использовать ^только нижние подкластеры, так как только эти подкластеры залегают на непроездочных грунтах и обладают индексом просадочности содержащим общую величину просадки от собственного веса.

Апробация методики показывает, что величины рассчитанной общей просадки, в целом, совпадают с ранее существовавшая! величинами просадок от собственного веса. При этом точность определения составляет 12-5* при среднеквадратичном отклонении равном 8.21. Данная точность определения, учитывая как специфику исследований связанных с лессовыми грунтами, так и масштабность исследований

(территория г. Волгодонска а целом), вполне допустима и лежит в пределах принятых для инженерной геологии. 7ак.п.м образом, достоверность разработанной методики модно считать доказанным. Следовательно, автоматически, доказывается правомочность сгмэго подхода, основанного на применении кластерного анализа з оценке прссадоч-ности лессовых толк.

Б СЕДЬМОЙ ГЛАБ5 приведены рекомендации по применения кластерного и регрессионного анализов в оценке прссадочнэсти лессовых грунтов.

Применение кластерного анализа, в сочетании с регрессионны).!, на стадии инженерно-геологических изысканий позволяет получать обдул величину просадки от собственного веса, учитывавшую ранее реализовавшиеся просздочные деформации. Е свою очередь, это позволяет более точно прогнозировать возможные присадочные деформации лессовых грунтов в основаниях ранее возведенных сооружений и создать ряд методик для репения различных прикладных задач. Областью применения данных методик является основание сооружения сложенное лессовыми породами второго типа грунтовых условий по просадочкости с величиной проездки от собственного веса не меньше 8.0 см.

Е работе приведены методик;! позволяйте, произвести: 1. Количественную и качественную оценку величин проявившихся деформаций и выявление ослабленных зон сооружений (зоны микротрещш); 2. Установление достаточности заданаиных при проектировании и строительстве сооружения конструктивных противолросадочных мероприятий; 3. Еыбор оптимальных лротивопросадочных мероприятий при разработке• проекта усилсн:.л конструкций; 4. Определение времени наступления предельно допустимых деформаций.

Выявлено, что применение кластерного и регрессионного анализов в оценке просадочности лессовых грунтов позволяет создать ряд методик для более точного определения степени воздействия деформаций основания на сооружение. Данные методики в свою очередь позволяют разработать и выбрать оптимальные варианты противопросадочных мероприятий и определить характер протекания предельно допустимых деформации во времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЙ

Комплекс исследований, проведенных для достижения постав-, ленной перед всей работой цели, позволяет сделать следуюцие вывода.

1. Анализ территорий сложенных лессовыми грунтами показывает

неравномерность проявления прг.садочнссти. Причинами возникновения неравномерности является комплекс геологических, геоморфологических, гидрогеологических и иных факторов.

2. Наиболее существенное влияние на просадочность лессовых грунтов оказывают особенности гидрогеологического режима территории. На территории г.Еолгодонска, по гидрогеологическим условиям выделено три зоны. Выявлена и подтверждена основная тенденция развития обводнения лессозсй толщи.

3. Установлено, что величины просадки от собственного веса и мощности просадочной толщи, в определенной степени, взаимосвязаны. В свази с этим, предлагается индекс прссадочности - представляющий собой показатель увязывающий данные величины с помощью степенной Фу н клип.

4. Предложены принципы зонирование позволяющие провести пространственное разбиение лессозсй толщи на зоны различающиеся по своим прссадочным свойствам и состоящие из территориальных единиц низщего псрядкз. На территории г.Еолгодонска выделено вести зон.

5. Проведена таксоясмил лессовой толщи по площади и по глубине, на основе индекса прссадочности, методом кластерного анализа и выявле-кы закономерности его изменения с глубиной. Доказана правомочность данного подхода на примере лессовых толщ г.Волгодонска, где выделено шесть кластеров, в обобщенном виде соответствующих цпклессам.

Путем наложения на результаты кластерного анализа пространственного зонирования выделены 1? подкластеров, внутри которых получены уравнения регрессии по индексу прссадочности и глубине." ;

6. Проведено сопоставление результатов таксономии с -особенностями гидрогеологического режима территории. Установлено, что анализ гидрогеологической обстановки при выполнении кластерного анализа обязателен и является неогьемлиыой частью регзния задачи таксономии лессовых толщ. - -

7. Разработана методика определения общей величины просадки от собственного Ееса грунта, учитывающая утраченную часта проса-дочности. Доказана правомочность данной методик:! и показана ее точность определения равная 12.5 Т..

8. Еыявлено, что применение кластерного и регрессионного'анализов в оценке прссадочности лессовых грунтов позволяет создать ряд методик для более точного определения степени воздействия формзций основания на сооружение. Данные методики позволяют разра-

ботать и выбрать опт!2.-:адьные варианты противопрссадочных мероприятий и определить характер протекания предельно допустимых деформаций во времени.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленные в работе задачи рссекы и цель, заключающаяся в разработке научно обоснованного подхода и практических рекомендаций по оценке просадочности лессовых грунтов методами кластерного и регрессионного анализов - достигнута.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.П.Ананьев, Б.А.Ералюв, С.М.Черкасов. Особенности проявления проселочных свойств в лессовых грунтах г.Волгодонска /' / инженерная геология лессовых пород (тезисы докладов Всесоюзного совещания). И.: Изд-во НПО "Строннзысглння", 1989 С 132-133.

2. А.В.Трусов, В.А.Еразов. Опыт закрепления лессовых грунтов кремнийоргакическим соединенном //Вопросы исследования лессовых грунтов и методов возведения фундаментов на них. Ростов-на -Доку: изд-во Ростовского инженерно-строительного института, 1989, С 95-99.

3. М. А.Ерадева, Б.А.Ерааов, А.И.Сеыененкс. Исследования взаимосвязи неравномерности просадочных свойств лессовых грунтов и деформации здании // Лессовые прссадочныэ грунты как основания зданий и сооружении (тезисы ■ к всесоюзной научно-практической конференции). Барнзул: изд-во "Полиграфист", 1990 С 72-74.

4. В.П.Ананьев, В.А.Еращов, С.М.Черкасов. Индекс просадочности лессовых грунтов // Инженерная геология М 3. 1990. С 56- 59.

5. В.А.Еращов, А.И.Семененко. Оценка неравномерности проявле-шш просадочных свойств лессовых грунтов через индекс просадочности //Вопросы исследования лессовых грунтов и методов возведения фундаментов ка них. Ростов-на-Дону: изд-во Ростовского инженерно-строительного института, 1991, С 36-33.

6. М.А.Ерааова, В.А.Еращов, О.К.Хансиваров. Реконструкция просадочных свойств грунтов, утерянных аа период эксплуатации сооружений, на основе индекса просадочности // Еопросы исследования лессовых грунтов и метод'ов возведения фундаментов на них. Ростов-на-Дону: изд-во Ростовского инженерно-строительного института, 1993, С 33-39.