Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика оценки и прогноза изменений инженерно-геологических условий заторфованных территорий

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Методика оценки и прогноза изменений инженерно-геологических условий заторфованных территорий"

ргв оа

- ' МИНСТРОЙ РОССИИ

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

На правах рукописи

ДИМУХАМЕТОВ Марсель Шаймарданович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАТОРФОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ РАЙОНА КАМСКАЯ ДОЛИНА г. ПЕРМИ)

(специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение)

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва -1995

Работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве Минстроя России

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук профессор Р. С. Зиангиров

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Л. С. Лмарнн кандидат геолого-.минералогнческих наук Л. И. Травкии

Ведущая организация: акционерное обшеаво '"Пермгражданпроект"

Защита состоится " 1995 года в ^

ОС

часов на

заседании специализированного совета в Производственном и

научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям и строительстве (ПНИИИС) по адресу: 10505Н г.Москва. Окружной проезд. IX.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПН ИИИС. Автореферат разослан " ^ " щц^ г

Ученый секретарь

специализированного совета ПНИИИС кандидат геолого-минсралогических наук

О. //. Наклона

Актуальность проблемы. Расширение строительства при наличии дефицита свободных земель вокруг городов возможно за счет освоения "неудобных" заторфованных близлежащих территорий.

Проблема строительства на заторфованных территориях не нова, имеет древнюю историю. Истоки ее восходят к Петровской эпохе и второй половине XVIII века, когда под застройку в Петербурге было осушено 1500 гектаров болот. В это же время в Германии уже применяли методы осушения и пригрузки торфяных залежей. В наше время в России наиболее широкое и успешное применение торфяного основания стали осуществлять с 30-х гг. при строительстве Беломоро-Балтийского канала и канала имени Москвы, а также в промышленном и гражданском строительстве. В связи с этим возникает необходимость подготовки заболоченных территорий не только для застройки под отдельных здания и сооружения, но и для строительства промышленных и гражданских объектов.

Данному вопросу в течение последних десятилетий уделялось большое внимание. Это прежде всего работы Л.С.Амаряна (1966, 1968, 1969, 1972, 1980. 1990). Н.Я. Денисова и А.Вило (1965, 1970), И.Е.Евгеньева (1968), P.C. Зиангирова (1979). В.Д.Казарновского (1972), В.Д. Копенкина (1967), В.Д.Ломтадзе (1978), Л.Р.Найфельд (1974), К.С.Ардунянца (1946), А.Я.Рубинштейна и Ф.С.Канаева (1984), П.А.Коновалова (1980), Е.П.Семенского (1966), Е.Н.Сергеева с соавт. (1983), Н.А.Цытовича (1965), М.Л.Шапошникова (1967) и др.

Несмотря на наличие большого количества работ в этом направлении, каждый раз возникает необходимость решения сложных задач по инженерной подготовке заторфованных территорий.

В условиях дефицита свободных земель под жилищное строительство в г. Перми выходом может быть использование в этих целях пойменных заболоченных территорий района Камская долина, охватывающих 63 км1, ранее считавшихся для этого непригодными.

Решение данной проблемы актуально, прогрессивно и может рассматриваться как возможная альтернатива пространственного размещения и планировочной организации жилых и промышленных массивов города.

С этой целью важным является оценка природных, инженерно-геологических условий региона строительства. Помимо этого, инженерной подготовке территории должна предшествовать работа по выявлению физико-механических свойств различных видов торфа, слагающего территорию, подверженности ее затоплению паводковыми водами. Выявление этих обстоятельств определяет и выбор технологий инженерной подготовки заторфо-ванной территории, которая может осуществляться разными способами: осушением болот, выторфовыванием, заменой торфа минеральными грун-

тами или специальным методом - намывом территории песчано-гравийной смесью.

Выбор рационального способа технической мелиорации заторфован-ной территории Камской долины потребовал проведения специальных лабо-раторно-полевых исследований дефомационно-прочностных свойств торфяных грунтов. Учет характеристик грунтов, а также определение основных факторов, обуславливающих процесс уплотнения залежей во времени позволили утвердиться в правильности выбора, из всех существующих, технологии намыва песчано-гравийной смеси на торфяное основание кг к наиболее приемлемой. Данный способ является и наиболее экономически выгодным. Одними из наиболее сложных, но важных вопросов при этом явились оценка и прогноз осадок уплотняемых торфяных грунтов и под весом намытой песчано-гравийной смеси. С решением этой проблемы были связаны сроки начала строительства на территории Камской долины. Метод пригрузки позволил качественно и с учетом очередности застройки, при минимальных эксплуатационных затратах, благоустроить заторфованные территории Камской долины. С другой стороны, решение данной проблемы позволило расширить возможности совершенствования планировочной структуры города Перми и принципиально по-новому ставить и решать градостроительную задачу. /у >

Цель работы. Оценка и исследование особенностей заторфованной территории и их инженерной подготовки, факторов, влияющих на нес в условиях района г. Перми Камская долина для строительства жилшцно-про-мышленных объектов, прогноз и разработка рекомендаций по их учету в проектно-изыскательской практике.

Научная новизна работы. Впервые с целью использования заторфован-ных, непригодных для строительства территорий района города Перми Камская долина осуществлен разносторонний и комплексный подход в изучении физико-механических свойств различных видов торфяных грунтов в естественном их залегании полевыми и лабораторными методами как для исходного состояния, так и после действия пригрузки. Проведены расчеты и выявлен характер изменения во времени деформационных и прочностных свойств торфяного основания после пригрузки его песчано-гравийной смесью в динамике. Для этой цели использован метод вращательного сдвига и пенетра-ции. Обоснованием определенных мер инженерной подготовки заторфованной территории служили экспериментальные и расчетно-теоретические исследования. Учитывались взаимообусловленные естественные факторы и инженерно-геологические условия, сложность механизма деформирования различных видов торфяных оснований разной мощности. Важным было

определение оптимально необходимой толщины пригрузочного слоя и величины осадок торфа. Обобщены и проанализированы результаты исследований, обработанные методом математической статистики. Впервые в районе Камская долина города Перми выявлены основные особенности инженерно-геологических условий, важные для градостроительства. Даны рекомендации в различных направлениях: по решению вопросов проектирования и инженерной подготовки заболоченных территорий для различных регионов, научно-исследовательским и прикладным изысканиям не только на планировочных этапах подготовки к строительству, но и на период эксплуатации зданий, сооружений и коммуникаций.

Практическая значимость и реализация работы. На основании разносторонних изысканий природных и инженерно-геологических условий г.Перми и его района Камская долина осуществлена их объективная оценка и рекомендован объем необходимых мер инженерной подготовки заторфован-ной территории в целях ее застройки. Выбран рационально-приемлемый способ уплотнения торфяных залежей песчано-гравийной смесью.

Определено время консолидации различных видов торфяного основания, установлены сроки для возможного начала строительства, а также произведен расчет осадки торфяного основания во времени, сопоставлены расчетные и фактические значения осадок и даны рекомендации по проведению наблюдений за осадкой пригруженных грунтов.

Рекомендованы способы и толщина намыва пригрузочной смеси в зависимости от вида и мощности грунтов торфяного основания и даны рекомендации по выбору фундаментов зданий и сооружений, а также указаны меры по предупреждению выбора торфяного основания из-под пригрузочного слоя. Даны оценка и прогноз агрессивного влияния подземных вод как до, так и после пригрузки и рекомендации по мерам предупреждения их пагубного влияния на железобетонные и металлические конструкции. Рассчитаны мощности пригрузочного слоя в целях повышения отметок затопляемых территорий строительства.

Даны рекомендации по объему инженерно-геологических изысканий с целью подготовки заторфованных территорий для проектирования строительства на них. Обоснован объем проведения научно-исследовательских работ для этих целей.

В результате выполнения поставленных и запланированных проектно-изыскательских задач, инженерно-геологической подготовки заторфованная северо-западная и юго-восточная части территории были замыты песчано-гравийной смесью в 1975-1976 гг. Разработан генеральный план будущей застройки территории района г. Перми Камская долина, созданы макеты архи-

тектурного решения. К настоящему времени уже осуществлена постройка многоэтажного жилого дома с подводкой коммуникаций, ТЭЦ и хозяйственно-бытового корпуса. Строительство других запланированных сооружений на намытой территории продолжается.

Данные научно-прикладных исследований и целый ряд предложений, полученных и разработанных при подготовке диссертационной работы, внедрены и используются в практике Верхнекамского треста инженерно-строительных изысканий, акционерных обществ "Пермгражданпроект", "Камская долина", НПО "Стройизыскания" (г. Москва).

Анализ достижений отечественной науки и практики в области инженерной геологии и собственные многолетние, с 1970 года, изыскания позволили выделить ряд актуальных вопросов, инженерно-геологических изысканий на заторфованных территориях Камской долины, решение которых и составляет задачи диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Оценка природно-климатических, геологических, гидрогеологических факторов, современных геологических условий и инженерно-геологических процессов в г. Перми и их роль в подготовке района Камская долина под застройку.

2. Выявление инженерно-геологических особенностей торфяных залежей Камской долины и факторов, влияющих на них, изучение физико-механических свойств грунтов, определяющих основные этапы планировки и объем инженерной подготовки для строительства.

3. Анализ существующих способов инженерной подготовки заболоченных территорий под строительство, разработка, исследование эффективности применения рациональной и экономически выгодной технологии использования торфяного основания района Камская долина методом пригрузки торфяной залежи песчано-гравийной смесью.

4. Расчет и фактическое определение во времени величины осадок торфяного основания до и после пригрузки его смесью.

5. Разработка научно-практических рекомендаций по инженерно-геологическим изысканиям заторфованных территорий.

Апробация работы и публикации. Результаты, полученные автором в диссертационной работе, и основные ее положения доложены на 22 конференциях, совещаниях и семинарах местного, республиканского и союзного значения по проблеме инженерной геологии, на трех международных симпозиумах.

Основные положения диссертации освещены в 33 печатных работах автора.

Объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, выводы, список литературы и приложение. Работа изложена на <5? страницах, из них - 10о страниц текста, таблиц - 33, иллюстраций - 33. Библиография включает 131 источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной проблемы, изложены цель исследования, научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана общая инженерно-геологичекая характеристика территории г. Перми и его района Камская долина. Город Пермь расположен на возвышенной волнисто-вогнутой равнине Пермского Прикамья, сформированного в результате речного морфогенеза. В тектоническом отношении Прикамье приурочено к восточной окраине Русской платформы. В его геологическом строении породы пермской системы состоят из двух отделов: верхнего (уфимский, казанский и татарский ярусы) и нижнего (ассельский, сакмарский, артинский и кунгурский).

Четвертичные отложения, слагающие верхнюю часть разреза, представлены грунтами без жестких структурных связей, нескальными осадочными, несцементированными, и искусственными. Выделено 10 инженерно-геологических элементов с соответствующими физико-механическими свойствами, нормативными и расчетными характеристиками. Территория застройки в районе Камская долина характеризуется слабовыраженным бессточным, малой степени дренированности рельефом, занятым переходного типа торфами и озерами-старицами. Гидрогеологические условия Камской долины характеризуются горизонтом грунтовых вод в аллювиальных отложениях, а также верховодкой, сформированной намывом территории пес-чано-гравийной смесью. По условиям залегания грунтов и их водопроницаемости выделено три типа литологического разреза: 1 - со средней и сильной водопроницаемостью (пески, песчано-гравийные отложения), 2 - со слабой фильтрацией (суглинки и глины), 3 - со средне- и сильноводопроницаемыми свойствами (намывной грунт, пески, песчано-гравийные отложения). Агрессивность подземных вод (в соответствии со СНиП 2.03.11-85) проявляется в 30 % случаях выщелачивающей способностью, в 18 % - углекислой и в 8 % -общекислотной к бетонам нормальной проницаемости, а в 45 % случаях агрессивность отсутствует. Исходя из этих данных для предупреждения агрессивности воздействия грунтовых вод на строительные конструкции предлагается проведение следующих мероприятий: анализ данных гидрогеохимиче-

ских карт, оценка гидрогеохимической обстановки по результатам изысканий и режимных наблюдений; оценка влияния антропогенных факторов при определенном технологическом процессе и проектировании сооружений; итоговая оценка степени агрессивности грунтовых вод возможного техногенного водоносного горизонта в различные периоды года.

Для предотвращения различных ущербообразующих инженерно-геологических процессов на территории Камской долины следует вести постоянное наблюдение за возможными размывам, проводить меры предупреждения искусственной подрезки берегов и углубления дна реки, проектирование и строительство защитных сооружений. В случаях заболачивания территорий рекомендуется подъем ее поверхности путем намыва песчано-гравийной смеси. Противоэрозионные мероприятия должны быть направлены на повышение устойчивости размываемых пород, снижение скорости, расхода и энергии поверхностных вод и правильное землепользование. Вредное воздействие солифлюкционных процессов может быть снижено путем устройства коптажей выхода подземных вод, благоустройства и озеленения склонов.

Во второй главе изложены номенклатура и классификация слабых грунтов и инженерно-геологические особенности заторфованной, почти не изученной территории района г. Перми Камская долина, занимающей 63 км3 (70%) площади, из которой 22 км2 - участки торфа по мощности более 0,3 м.

Такие разновидности слабых грунтов, как торф, заторфованный грунт, ил, насыпные и намывные грунты, в различных нормативных документах получили довольно четкое определение и понимаются всеми специалистами однозначно. Унифицированной классификации слабых грунтов, приемлемой для целей строительства, до сих пор не имеется, хотя номенклатурой слабых грунтов занимались многие исследователи: Л.С.Амарян (1961, 1977, 1983, 1984, 1987, 1990), В.Д.Ломтадзе (1970), А.К.Ларионов (1977), Н.Я. Денисов и А.Вило (1965), Н.А.Цытович (1965), В.Д.Казарновский (1973), А.К.Деркацян и Н.П.Васильев (1978), П.А.Коновалов (1980), Н.С.Ордунянц (1946), И.Е.Евгеньев (1968), М.Л.Шапошников (1967). Торф как представитель слабых грунтов содержит более 50 % растительных остатков, а породы, содержащие их от 10 до 50 "/!., называют заторфованными. Основные показатели состава и физико-механических свойств слабых грунтов подробно и всесторонне разработаны профессором Л.С.Амаряном. Автор считает, что инже-нерно-геологичесгие исследования торфонакопления, процессов, происходящих в залежи торфов, в значительное степени определяет их структурные, прочностные, фильтрационные и другие свойства. Изыскания выявили наличие в Камской долине трех видов торфяной залежи: лесного, лесо-топяного и топяного, имеющих различную мощность залегания. Самые крупные районы - северный и центральный - включают в основном торф лесо-топяной

мощностью до 6,0 м и местами лесной. Незначителен по площади и мощности лесного и лесо-топяного торфа южный участок и небольшой- юго-западный. представленный торфом топяным с глубиной залегания 1,6 м. Особое внимание при этом уделено геологическому разрезу и характеру минерального дна болот, представленного в основном глинами.

Наличие слабых грунтов, а также подверженность территории Камской долины затоплению паводковыми водами обуславливает ее непригодность или ограниченную пригодность для строительства.

Оценка данных условий и факторов позволили обосновать правильный выбор и объем инженерной подготовки территории в этих целях, а также рекомендовать проектирование и размещение различных сооружений на соответствующих участках в соответствии с их конструктивными и эксплуатационными особенностями. Распространение слабых грунтов на значительную глубину требует устройства специальных конструкций фундамента (длинные сваи, сплошная плита) или технической мелиорации грунтов, подстилающих торфяные отложения (уплотнение, электрохимическое закрепление и т.п.). С целью уменьшения длины свай здания следует размещать на более мелких участках болот. Недопустимым является резкий перепад глубины болота под одним зданием. При резком изменении глубины торфяной залежи под зданием значительно изменяется и несущая способность свай.

Создание на территории, занятой торфяными грунтами, условий для строительно-монтажных работ, прокладки дорог, инженерных коммуникаций, а в будущем - возведения зданий и сооружений требуют проведения соответствующей технической мелиорации заторфованной территории. С этой целью приемлемы различные методы. Для залежей с высокими водопроницаемыми свойствами торфов мощностью 3-7 м приемлемо осушение торфяных грунтов. Для торфяной залежи мощностью более 3,0 м с высокодисперсными видами торфа предпочтителен метод уплотнения слоем песка или пес-чано-гравийной смесью. Метод замены слабых торфяных грунтов применяется при глубине торфяной залежи менее 3,0 м. Улучшение свойств торфяных грунтов в нужном направлений возможно и с помощью различных методов технической мелиорации.

В каждом конкретном случае применение того или иного метода технической мелиорации заторфованной территории для застройки должно быть научно обосновано и практически проверено.

В третьей главе изложена методика исследования состава, структуры и свойств заторфованных грунтов. Констатировано, что инженерной подготовке в строительных целях заторфованной территории Камской долины было предпослано лабораторно-полевое изыскание с целью получения объ-

ективной информации по характеристике видов торфяной залежи. Данные показателей физико-механических свойств торфов, полученные в лабораторных условиях, корректировались и одновременно дополнялись полевыми методами исследования их деформационно-прочностных свойств в естественных условиях залегания соответствующими приборами и аппаратурой. Выявлена специфика макроструктуры, неоднородность строения и залегания торфов, объективно оценена их устойчивость и подверженность различным нагрузкам. Статистические методы исследования позволили получить достоверную информацию по изменению свойств торфов в результате инженерной подготовки заторфованной территории в целях строительства.

В четвертой главе изложены результаты изменения физико-механических свойств заторфованных грунтов Камской долины после их пригрузки песчано-гравийной смесью. Различные виды торфа, в их естественном залегании, имеют высокую влажность. Так, средние значения влажности составляли для торфа лесного 412 %, лесо-топяного - 598 %, топяного - 945 % при степени разложения соответственно 40, 27 и 31 %. При возрастании степени разложения уменьшается плотность твердых частиц, которая для всех видом торфов Камской долины при естественной структурности и влажности колеблется от 1,02 до 1,09 г/см1 . Плотность скелета торфов изменяется от 0,08 до 0,242 к/см1. Выявлено также, что по мере увеличения разложения остатков растительных тканей величина пористости закономерно уменьшалась. Такая же зависимость касается и показателя влажности, коэффициента пористости. Значительная изменчивость касается и коэффициента фильтрации, зависящего от плотности, степени разложения, зольности и геоботанического состава торфа. Коэффициент фильтрации увеличивается по мере повышения коэффициента пористости у торфа лесного, более - у лесо-топяного и наибольшая величина его выявлена у торфа топяного.

Важным аспектом в решении проблемы использования торфяного основания является его уплотнение. В связи с этим проведено изучение изменения свойств торфа под влиянием нагрузки. Установлено, что по мере уплотнения пористость и фильтрационная способность торфа уменьшаются. Так, увеличение вертикальных нагрузок от 0,25 до 1,0 кг/см1 приводило к значительному уменьшению коэффициента фильтрации у торфа лесного, лесо-топяного и топяного (табл. 1).

Существенен для оценки и прогнозирования возможных осадок торфяного основания и песчано-гравийного слоя характер изменения компрессионных свойств торфов (рис. 1).

Таблица 1

Изменение коэффициента фильтрации различных видов торфа при вертикальных нагрузках

Вид торфа Значение среднего коэффициента фильтрации (м/сут) при нагрузках (кг/см1)

0,25 0,50 0,75 1,0

Лесной 2,6 х 102 1,8х1(Я 1,4х 1(Р 4,1 х 10'4

Лесо-топяной 6,4 х 103 1,4 х 103 1,8 х 1б4 2,5 х 10'4

Топяной 6,8 х 105 4 1,1 х 105 2,9 х 104 1,9 х 1б4

а, см7кг 12,0

10,0

8,0

6,0 -

4,0 -

2,0

\\\\\ \\\\\ \\\\\ К \\\

\\\ ■ \\\

\vOvs ^ ^

0,50

1,0

1,5

I

2,0

Р, кг/см1

Рис. 1. Зависимость коэффициента уплотнения (а) торфа

от нагрузки (Р): -лесного ----------лесо-топяного---топяного

Затухание осадок у всех видов торфа с ростом уплотняющих нагрузок происходит достаточно медленно. Торф неоднороден по своей структуре, поэтому наблюдался значительный разброс значений модуля деформации. Так, при вертикальной нагрузке 0,25 кг/см2 коэффициент вариации модуля деформации торфа достигал значений 0,21-0,36 и снижался с увеличением нагрузок до 0,19-0,20, что свидетельствует о приобретении торфом однородности деформативных свойств. Прослеживается тесная связь коэффициента уплотнения и исходных величин пористости и естественной влажности.

С ростом уплотняющих нагрузок увеличивается и начальный градиент напора. Зависимость между скоростью фильтрационного потока и потерями напора по длине фильтрации выражается законом Дарси, который постулирует прямую зависимость между скоростью фильтрации и действующим гидравлическим градиентом. При малых значениях его для торфа как дисперсной системы данная зависимость нарушается. Фильтрационный поток получает свое развитие только после применения некоторого начального градиента напора (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость коэффициента фильтрации (Кф) от градиента напора (Ло) при различных нагрузках

Наблюдается отклонение от закона Дарси на участке 0-1, на 1-Н - коэффициент фильтрации с увеличением напора возрастает и достигает постоянного значения при градиенте напора >4-5. Начиная с давления 1,25 кг/смг фильтрация практически прекращается - величина коэффициента фильтрации была ниже 0,01 м/с.

Исследования коэффициента консолидации торфов Камской долины свидетельствуют, что происходит снижение его величины вследствие сжатия (табл. 2).

Таблица 2

Изменение > 11.н>111с11пн (и) и коэффициента копсо.низким (Су) разных пилон юрфоно! величины нагрузок (Р)

Вил торфа Срелнин начальным ко ^ффицнем 1' норненкч н (е) ('■снснн нагрузок (кг/см1)

1 =0.25 Р =0.50 Р =0.75 I = 1.0

а сч'/кч Су ч'/су 1 а см1/*! Су ч'/сут а сч'/кт Су ч'/сут а сч'/кг Су ч'/сут

Лесной 6,728 3.803 5.3x10"' 3.317 4.2\10"2 2.837 3.8\10"'1 2.446 1.6x10" 2

Лесо-

■опянон 9,273 N.522 7.7x1 (Г2 6.436 2.2хЮ"2 5.165 1.6x10 2 4.318 6.4x10"'1

Топннон 14.Х 13 14.813 7.6x1 (Г2 11.121 КбхЮ"2 7.867 5.8x10"' 7.251 4.2x10"'

Исследование механических свойств (удельное сопротивление сдвигу и пенеграции) торфяной залежи в естественном виде выявило их сравнительно высокие характеристики северного и южного участков (табл. 3). Значения их для центральной залежи бли жи к показателям южного и северного. На юго-западном учааке механические свойства торфов низкие.

Таблица 3

Показаимн ллелыюю сонро!пилении сдвигу и менеIранни различных пилон юрфа на учасiка\ Камском |п. ii 1111.1

> часгок Вил юрфа Улельшч' соиро гна1снис. кч/сч1

слвн1у пенеграции

Северный Лесной 0,17-0.33 0.18-0.33

Южный 11.23 0.24

Северный 0,04 - 0,26 0.13-0.52

0.14 0.30

1 (сн тральный Лссо-1 опиши! 0,08 - 0,27 0.11 -0,53

0.16 0.32

Ю^сный 0,17-0,26 0.22 - 0,45

0.22 0.32

Цсн1ралы1ый 0,05 -0,20 0.12-0.42

0.10 0.25

С евернмй Тониной 0,06-0.20 0.14-0.41

0.10 0.21

Юю-шналпмй 0.04 - 0.04 0.11 - 0.30

0.04 0.22

С учетом этих данных установлено, что северный, центральный и южный участки торфяной залежи Камской долины, в отличие от юго-западного, устойчивы и проходимы доя всех видов гусеничной техники и проведения мелиоративных работ.

Для торфов переходного типа получены следующие уравнения:

• для определения сопротивления сдвигу

Т = 0,0132 - 0,0104%' + 0,1923д + 0,11 Дрё (1)

• для определения сопротивления пенетрации

(7 = 0,1107 + 0,021 5\у + 0,03 Дрё (2)

при коэффициенте корреляции г = 0,56 для (1) и г = 0,60 для (2).

Компрессионными испытаниями установлено, что максимальное уплотнение торфа происходит при нагрузке до 1,0 кг/см2. Так как существующие отметки территории Камской долины находятся в зоне подтопления, основным фактором, определяющим толщину пригрузочного слоя, может служить условие ее незатопляемости. Необходимость повышения планировочной отметки приведет к увеличению толщины песчано-гравийной смеси. Выявлена зависимость показателя мощности слоя намытого грунта на осадку торфа в соответствии с глубиной его залегания (рис. 3, 4). Причем при 5-метровой толщине смеси и торфа осадка торфа лесного достигает 1,5 м, а лесо-топяного - 2,0 м (табл. 4).

Рис. 3. Зависимость осадки торфа лесного от толщины намываемой песчано-гравийной смеси (для слоев разной мощности)

Рис. 4. Зависимость осадки торфа лесо-топяиого от толщины намываемой песчано-гравийной смеси (для слоев разной мощности)

Таблица 4

Зависимость осадки торфа от мощности его залегания и толщины песчано-гравийного слоя

Мощность торфяного слоя, м Осадка торфа при толщине песчано-гравнйного слоя. м

Лесной Лесо-топяной

3 4 5 3 4 5

1,0 0,199 0,252 0,293 0,314 0,366 0.392

1,5 0,295 0,378 0,447 0,471 0,549 0,588

2,0 0,398 0,504 0,596 0,628 0,732 0,784

0,5 0,498 0,630 0,745 0,785 0,915 0,950

3,0 0,597 0,756 0,894 0,942 1.098 1,176

3,5 0,697 0,882 1,043 1,099 1,281 1,372

4,0 0,796 1,008 1,192 1,256 1,454 1,568

4,5 0,896 1,134 1,341 1,413 1,647 1.764

5,0 0,955 1,260 1,490 1,570 1,830 1,960

Замедление нарастания осадок у обоих видов торфов происходит при 4-метровой толше песчано-гравийной смеси. Не выявлено существенной разницы осадки и мощности у торфов лесного и лесо-топяного от толщины при-грузочной смеси. Так. при 1-метровой залежи ее требуется в 3 раза больше, при 2, 3-метровой - соответственно в 1.7 и 1,3 раза больше, а при 4-метровой толще торфа мощность смеси примерно одинакова. Ввиду того, что глубина залегания торфа на территории Камской долины не одинакова, расчет осадки его и требуемых объемов песчано-гравийной смеси следует производить методом квадратов, определяя средние величины для каждого участка.

Для предупреждения потери устойчивости торфяного основания и выдавливания торфа выше подошвы пригрузочного слоя при укладке его на небольшой площади следует придерживаться обычных расчетов, в противном случае толщина смеси не должна превышать 3,0-3,6 м или пригрузку производить в два слоя. Согласно расчетным данным, на примере консолидации торфа лесо-топяного выявлено, что для 4,0-5,0-метровой толщины торфяной залежи под воздействием различной мощности песчано-гравийной смеси основной объем ее осадки на 80-90 % завершится в первый год после при-грузки. На второй год консолидация торфяной залежи под пригрузкой 2, 3, 4 и 5-метровой толщей достигнет соответственно 95, 91, 89 и 87 %, т.е. с несущественной разницей в осадке, которая будет продолжаться до 10-12 лет.

По нашим наблюдениям, в начальный период пригрузки торфяная залежь уплотнялась без заметных структурных изменеий. Изыскания 19761992 гг. показали, что со временем помимо продолжающейся консолидации торфяного основания влияние давления пригрузочного слоя привело к существенному изменению структуры и физико-механических свойств торфов. Значительно уменьшились пористость и влажность, степень разложения уве-личиалсь, значительно возросло сопротивление торфа сдвигу и пенетрации (Димухаметов М.Ш., Костарев В.П., 1980; Димухаметов М.Ш., 1995). Удельное сопротивление сдвигу после намыва заторфованной территории повысилось в 5-6 раз, удельное сопротивление пенетрации - в 4 раза и более чем в 4 раза - модуль деформации всех видов торфа.

Общепризнано, что нарастание деформации торфяной залежи сопровождается сжатием структуры при волокнистом строении торфа и ее разрушением при высокой дисперсности. Наиболее интенсивно повышение прочностных характеристик торфов происходит на начальных этапах действия пригрузочного слоя, в дальнейшем - затухает. И это объяснимо, так как эти процессы сопровождаются первоначально обильным отжатием свободной воды, что ведет к повышению плотности торфа и снижению его водопроницаемости. В этом аспекте положительное влияние примененной техноло-

ь

гии пригрузки торфяной залежи песчано-гравийной смесью, прогнозируемое теоретически, практически сказалось выгодным улучшением физико-механических свойств торфов: уменьшились влажность, пористость и ее коэффициент, увеличились плотность ск^ета и степень разложения. При этом выявлено. что абсолюная осадка торфяной залежи после ее пригрузки зависела от ее первоначальной мощности (рис. 5).

О I 2 3 4 Н. м - толщина _I_I_1_I_

я

-е-

СЬ

8 0.5

я х

г* 73

о

1.0

1.5

2.0.

Рис. 5. Зависимость осадок слоен горфа разной мощности от толщины намытого грунта. Осадки трфа: - расчетные-----фактические

За 16 месяцев (1979 г.) при толщине залежи до 4.5 м абсолютная осадка ее составила 0.4 - 2,0 м (20 - 45 "м), хорошо согласуемая с расчетными величинами (0,39 - 1,9 м). определенными по методу Л.С.Амаряна (Димухаметов М.Ш., Костарев В.П., 19X0). Средние значения относительной осадки на площадях намыва составили 0.56 и 0.51 м при коэффициенте вариации соответственно 0.19 и 0,15.

Завершенные инженерно-геологические изыскания позволили специалистам разработать генеральный план будущей застройки непригодных для этого земель района г. Перми, создан, макеты архитектурного решения ее, а в 1993 г. осуществить строительство многоэтажного жилого дома с подводкой необходимых коммуникационных систем. ТЭЦ и хозяйственно-бытового корпуса.

На всем протяжении строительства заторфованной территории Камской долины, а также и после его завершения следует изучать характер взаимодействия торфяная залежь - песчано-гравийная смесь для предупреждения деформации сооружений и обеспечения надежной эксплуатации строительного комплекса.

В пятой главе даны рекомендации по инженерно-геологически изысканиям при подготовке заторфованных территорий для строительства, определяющие характер, направленность их, объем прикладных и исследовательских работ с учетом существующих нормативных, руководящих документов и литературы. Предлагаемый объем инженерно-геологических изысканий при этом должен включать: комплексное изучение природной обстановки региона; выявление инженерно-геологических условий территории предполагаемого строительства и факторов, влияющих на них; изучение физико-механических характеристик видов торфяных залежей лабораторно-полевыми методами и изменение их после применения избранного метода мелиорации для достижения требований, удовлетворяющих задачам подготовки заторфованной территории для строительства; инженерную подготовку заторфованных территорий под застройку; научно-исследовательский аспект инженерно-геологических изысканий.

Основываясь на единых положениях и требованиях инженерно-геологических исследований, для изучения заторфованных территорий в целях освоения их под застройку целесообразен и необходим подбор соответствующих для этого методик, современного оборудования и аппаратуры, в том числе и портативной.

Инженерно-геологические изыскания провдятся обычно в два этапа, из которых на первом этапе оценивается природная обстановка территории, выделенной под строительство (ТЭО), а на втором (рабочий проект) -проводятся инженерные изыскания на территории. Третий этап необходим в случаях проектирования сооружений высокого класса или при сложных инженерно-геологических условиях.

В каждом конкретном случае при проведении инженерной подготовки торфяных залежей следует учитывать разные глубины и виды их, чередование слоев и водонасыщенность, а также подлинность соответствия фактических осадок расчетным. В этом же плане на предварительных стадиях проектирования строительства при определении прочности и деформации торфов следует широко пользоваться классификацией слабых грунтов, болот и их строения, всесторонне разработанных урудами профессора Л.С.Амаряна. Выбор метода инженерной подготбвки заболоченных территорий следует сообразовывать с трудовыми и материальными затратами на нее, обуслов-

ленными местными, природными и градостроительными условиями, а также уровнем оснащенности строительно-монтажных организаций. Из воздействий природных условий и искусственных факторов одним из важных является учет режима поверхностных и подземных вод и степени их агрессивности на железобетонные и металлические конструкции как в периоде строительства, так и на этапе эксплуатации сооружений.

Задача снижения удельных затрат на инженерные мероприятия связана с необходимостью более глубокой проработки проектных решений, в частности, выбор и применение наиболее рационального и экономически выгодного способа мелиорации торфяных залежей в строительных целях.

В выборе предпостроечного способа мелиорации заторфованной территории, помимо учета природной обстановки региона строительства, прочностных и деформационных параметров грунтов, полученных в лабора-торно-полевых условиях и апробированных расчетными данными, экономические показатели любого из методов уплотнения торфяной залежи имеют одно из решающих значений. Следует выделять определенные виды торфяных залежей с целью учета дифференцированного и возможного использования под различные виды к объемы застройки.

Каждый раздел исследований должен всегда рассматриваться в ракурсе жестких экономических выгод и обоснований материальных затрат.

Научно-исследовательский этап инженерно-геологических изысканий при подготовке заторфованпых территорий в строительных целях должен обязательно носить прикладной характер в аспекте градостроительства.

На основе собственных данных и сосременных научно-прикладных исследований, анализа фондового фактического и опубликованного материала сделаны следующие выводы и предложения.

1. Город Пермь расположен па возвышенной волнисто-вогнутой равнине Пермского Прикамья. В его геологическом строении принимают участие породы пермской и четвертичной систем. Гидрогеологические условия характеризуются водоносным горизонтом четвертичных отложений и тре-щинно-пластовыми водами коренных пород. Химический состав подземных вод представлен преимущественно шдрокарбонатными формациями, обладающими выщелачивающей углекислой и общекислотной агрессивностью к бетонам нормальной проницаемости. Среди наиболее ущербообразующих инженерно-геологических процессов на территории г. Перми являются подтопление, затопление паводковыми водами, просадочность. переработка берегов водохранилищ, заболачиваемость, эрозия и суффозия.

2. Особенностью инженерно-геологических условий района г. Перми Камская долина является заболоченность и широкое развитие различных

видов торфа. Кроме того, территория подвержена затоплению паводковыми водами и поэтому относится к непригодной или малопригодной для строительства.

3. На территории Камской долины три вида торфов: лесной, лесо-топяной и топяной. Самые большие участки - центральный и северный, меньшие - южный и юго-западный. Залежи центрального участка включают в основном лесной и небольшой объем топяного торфа, северный представлен лесным, менее - лесо-гопяным и топяным торфом, как и южный, а небольшой по площади юго-западный участок включает только топяной торф.

4. Параметры физико-механических свойств различных видов торфа тесно зависят от его состава, структуры и действующих нагрузок. Наиболее низкая прочное 1ь характерна для торфа топяного.

5. Инженерно-геологические особенности района Камская долина, характеристика видов торфов и прочностных свойств их залежей позволили в качестве метода инженерной подготовки территории избрать способ гидронамыва песчано-гравийной смеси. Метод пригрузки экономически выгоден, наиболее целесообразен и приемлем для существенного изменения свойств торфов (снижение деформируемости и повышение прочности).

6. Торфы юго-западного участка Камской долины имеют низкую прочность. Высокая прочность присуща торфам северного, южного и близко к ним - центрального участков. Это позволяет обеспечить необходимые условия для проведения мероприятий по инженерной подготовке заторфованных территорий для строительства при-небольшой мощности (до 2,5 м) пригру-зочного слоя. В целях обеспечения незатопляемости территории мощность пригрузочного слоя должна быть повышена.

7. Максимальное уплотнение торфа происходит при нагрузках до 1,0 кг/см2 или при 4-метровой толще пригрузочного слоя, после чего нарастание осадки замедляется. Это относится как к лесным, так и лесо-топяным торфам.

8. Осадка 4-5-метровой толщи лесного или лесо-топяного торфа под действием пригрузки составит в первый год 80-90 % от конечной, во второй год достигнет 95 %, а оставшаяся часть для своей полной стабилизации потребует 6-12 лет.

9. Влияние пригрузочного слоя положительно сказывается как на структуре, так и на улучшении физико-механических свойств торфа. Так, значительно уменьшаются пористость и влажность при одновременном повышении степени разложения, сопротивление торфа сдвигу и пенетрации возрастает соответственно в 5-6 и 4 раза.

10. Нарастание деформации торфяной залежи сопровождается сжатием структуры при волокнистом строении торфа и частичным разрушением ее при высокой дисперсности. Интенсивность повышения прочностных характеристик торфа на начальных этапах пригрузки обусловлена отжатием свободной воды (повышение плотности и снижение водопроницаемости). Прекращение данного процесса ведет к затуханию осадки и второму этапу - повышению сцепления между твердыми частицами торфа.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Опыт полевых исследований прочностных и деформативных свойств слабых грунтов // Эффективность новых методов инженерно-геологических изысканий: Тез. докл. науч.-техн. семинара. - Пермь. 1976. - С. 17-19 (соавтор Г.Я.Шорнна).

2. Применение ЭВМ для инженерно-технических расчетов // Эффективность новых методов инженерно-геологических изысканий: Тез. докл. науч.-техн. семинара. - Пермь. 1976. - С. 25-26 (соавторы А.П.Емелин. В.П.Костарев. З.Н.Сивкова).

3. Изучение прочностных свойств и осадок торфяных залежей при инженерной подготовке заболоченных территорий // Инженерная геология Западного Урала: Тез. докл. иауч.-техн. совещан. - Пермь. 1980. - С. 18-19 (соавтор В.П.Костарев).

4. К изучению инженерно-гидрогеохимических условий застроенных территории Прикамья // Инженерная теология Западного Урала: Тез. докл. науч.-техн. совещ. - Пермь. 19X0. - С. 32-33 (соавторы В.П.Костарев. Г.Я.Шо-рина).

5. Оценка просадочпости глинистых грунтов Пермского Приуралья косвенными методами // Проектирование и строительство зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах. Т. 1: Лессовые породы и методы их исследования. - Барнаул, 1980. - С. 135-139 (соавторы В.П.Костарев. В.М.Изотов, А.П.Емелин).

6. Повышение агрессивности грунтовых вод Камского Приуралья под влиянием хозяйственной деятельности человека // Человек и среда: Тез. докл. конф. молодых ученых и специалистов. - Пермь. 1981. - С. 12-13 (соавторы В.П.Костарев, С.Г.Галяутдннов. В.Т.Паиировая).

7. О гидрогеохимических условиях трассы первой очереди Пермского метро // Инженерная геология Западного Урала: Тез. докл. науч.-техн. совещ. - Пермь, 1982. - С. 13-14 (соавторы В.П.Костарев. Г.Я.Шорина).

К характеристике i ii.ipoieo.ioi ических условий Пермского метро // Проблемы гидрогеолошн Урала. - Свердолвск. 1983. Ч. 2. - С. 33-35 (соавторы В.П.Косгарев. Г.Я.Ширина).

9. К характеристике aiресснвнои шлросферы Пермского Прикамья // Вопросы охраны подземных пол Урала: Tes. докл. 2-го Урал, иауч.-коорди-нац. совет, по охране подземных вол Урала и сопредельных регионов. -Свердловск. 19X6. - Ч. 1. - С. 61-62 (соавторы В.П.Костарев. Г.Я.Шорина).

10. К оценке современных геологических процессов на территории гра-допромышленных агломерации Западного Урала // Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территории городов и городских агломераций,- Москва. 19S7.-С. 1 32-133 (соавторы В.П.Костарев. Ю.В.Поздеев).

11. К оценке строительных свойств нросадочных грунтов Камских террас на территории Пермской градопромышленной агломерации // Комплексная оценка аллювия как сфонтельного материала, мелких минералов и основания инженерных сооружении : Тез. докл. науч.-техн. семинара. -Пермь. 1987. - С. 18-19 (соавторы В.П.Косгарев. Г.Я.Шорина).

12. Просадочиые грунты Пермского левобережья // Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования в Уральском регионе и вопросы охраны и рационального использования геологической среды: Семинар. -Свердловск. 1987. - С. 28-29 (соавтор В.П.Костарев).

13. К характеристике подземных вод аллювия Камской долины II Аллювий Западного Урала - источник многих полезных ископаемых: Тез. докл. участников науч.-техн. семинара. - Пермь. - С. 13-14 (соавтор В.П.Костарев).

14. Оценка природно-техпогенных условий подтопления г. Перми // Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической среды: Тез. докл. 1-го Всесоюз. съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. -Киев, 1988. - Ч. 3. - С. 126-128 (соавторы В.П.Костарев, Л.Б.Баранников).

15. Роль инженерных изысканий в системе наблюдения и контроля за состоянием геологической среды // Геолого-географическое изучение и экологические проблемы особо охраняемых территорий Урала и Сибири: Тез. докл. науч.-практ. конф. - Челябинск, 1988. - С. 12-14 (соавтор В.П.Костарев).

16. Комплексные инженерные изыскания - компонент гидролитомони-торинга градопромышленных агломераций Западного Урала // Новые прогрессивные способы комплексного изучения недр Урала - путь ускоренного развития народного хозяйства региона: Тез. докл. науч.-техн. совещ. - Пермь, 1989. - С. 83-83 (соавторы Л.Б.Баранников, В.П.Костарев, Ю.В.Поздеев).

17. Основные особенноеш i ii.ipoi eo.ioi ических условий Камской долины // По.кемные воды Урала п метлы м\ изучения м использования. - Свердловск. 19S9. - Ч. 2. - С. 13-14 (соантры В.П.Коаареи. Г.Я.Шорина).

IS. Опенка ирочпосшых choíícib leppniciiiiom аллювия // Инженерно-reo.ioi ические исследования icppiimpnii юродов. - Свердловск. 1990. - С. 2729 (соантры Г.В.Дерябипа. В.П.Коаареи. А.П.Емслнн).

19. К опенке и проинку жолою-i ii.ipoi оо.ки пческнх условий грало-промышлепныч ai домерации Западною Урала // Pco.ioi нчеекпе исследования п охрана окружающей среды па Западном Урале: Tet. докл. науч.-icxii. конф. - Пермь. 1991. - С. 43-44 (coaшоры В.П.Коаареи. Ю.В.По ¡леев).

20. На очереди - i со iko.ioi ичеекпе тысканпя // Гео.кч пческие исследования и охрана окружающей среды на Западном Урале: Tet. докл. нау ч.-iexn. конф. - Пермь. 1991. - С. 51-52 (соашор В.П.Коаареи).

21. О роли инженерных тискании и снаеме шдролпюмониюриша на осваиваемых к'рритрияч // Проблемы opi антацип юррпюрпн peí попон новою освоения: Ma lepiia.n.i Всесокн. науч. koiu|). - Хабароск. 1991. - Ч. 2. -С. 79-,X 2 (coaи юры В. 11 .Коа арен.. I. Ь.Ьараппикон).

22. I l'xiioi einti.ie i ру п ii.i на ск.юпах - надежное основание // Пнженерно-I еоло! ические mi.касания н peí ионе н пределах распространения специфических i р\ in он. - ('мер. поиск. 1991. - С'. 6-7 (снам тр B.I I.K'oaapeu).

2л. I'eo.ioi iriccKiiii мсчпиорпш // Человеческое измерение peí пональныч проблем: lei. между нар. снмтч. - Ьиробиджан. 1992. - Ч. 2. - С. I46-I4S (соантры B.I I.Koci арен. В. I-!. Малахов. В. Г.1 Ьииромая).

24. Об инженерно-! eo.ioi и ческой оценке с>ль(|)а i пых лит шешмии-CKOI о юр п ¡он i л па. leppn юрип i. Перми // Инженерная I eo.ioi ия каре i а: Те докл. между пар. еммно!. - Пермь. 1992. - С. 73 (соантры В.П.Коаареи. ").11.Абросимов. 15.1 .1 laiinpoiian).

25. Оиол шеиые процессы па leppmopini i. Перми // Инженерная i соло! им. 1992. -JNWi. - С. 64-69 (соантры II.A.11ечеркпн. В.П.Коаареи).

26. Ai рессинпая i идросфера и ее каршронаппе // Загряшенне окрхжаю-meii среды: Проблемы iоксико ioi нп п жидемио. ioi пп: let. докл. между нар. кипф. - Пермь. 1993. - С. 6N-69 (соантры В.П.Коаареи. П.В.Коаарен).

27. Гпдролптмонн трпш . инженерные тысканпя и банки данных // • 3ai ря (псине окружающей среды: Проблемы юксиколо! пи н ншдемиоло! нп:

I et. докл. между нар. конф. - 11ер\п». 1993. - С. 40 (соавюр В.П.Коаареи).

2S. Гидро iko.ioi ические псследонаним п опасные i eo.ioi ические процессы // Человеческие шмереиие н peí иопа.и.пом рашшип: lei. докл. между -пар. симпо!. - 1>нробплжан. 1993. - Ч. 2. - С. 69-71 (соантры В.П.Коаареи.

II В.Коаарен).

29. К использованию показателя интенсивности глубинной эрозии в оценке гидрогеологических условий строительства // Инженерная география: тез. докл. межгосуд. конф. - Вологда, 1993. - Ч. 1. - С. 39-40 (соавторы

B.П.Костарев, Н.Г.Максимович).

30. Об изучении опасных геологических процессов в г. Перми // Экологическая безопасность зон градопромышленных агломераций Западного Урала: Тез. докл. семинара. - Пермь, 1933. - С. 22-23 (соавтор В.П.Костарев).

31. Суффозионные процессы на территории г. Перми // Современные проблемы геологии Западного Урала: Тез. докл. науч. конф. - Пермь, 1993. -

C. 146 (соавтор К.Б.Бушин).

32. Изменение физико-механических свойств торфов жилого района Камская долина после намыва песчано-гравийного слоя // Современные проблемы геологии Западного Урала: Тез. докл. науч. конф..- Пермь, 1995. -

33. Инженерно-техническая подготовка под застройку района Камская долина // Современные проблемы геологии Западного Урала: Тез. докл. науч. конф. - Пермь, 1995. - С. 147.

С. 148.

Подписано в печать 11.10.95 Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. Ткраж ЮО экз. Заказ 2-Ъ9. Типография Пермского университета 614600, г. Пермь, уп.Букирева, 15