Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Научно-методологические основы инженерно-геологической оценки ледниковых отложений Беларуси для строительства

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Бусел, Иван Андреевич, Минск

Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь Государственное предприятие "ГЕОСЕРВИС"

На правах рукописи

Бусел Иван Андреевич

НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ БЕЛАРУСИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

04.00.07 — Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

11

езид

ум

,АК Рп

щ:

Прение сж" ^ " ^ г., № ^

присудил ученую степень

Нрамэник ут(щШШЩ9% / к )л?.

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических

наук, профессор В.В. Дмитриев

Доктор геолого-минералогических

наук И.А. Парабучев

Доктор геолого-минералогических

наук, профессор, академик НАН Беларуси А.В. Матвеев

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

Зашита диссертации состоится 1 июля 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.071.11.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) по адресу: 142452, Московская обл., Ногинский р-н, пос. Зеленый.

С диссертацией в виде научного док :,еке

ВСЕГИНГЕО

Диссертация в виде научного доклада разослав l~

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат геолого-минералогических наук ^/.Т^НпЫнс^ И.М. Цыпина

/Г/ п

ВВЕДЕНИЕ

Ледниковая формация занимает около 90% общего объема антропогенового чехла Беларуси. В большинстве случаев основанием и средой зданий и сооружений служат грунты моренных, флювиогляциальных и озерно-ледниковых отложений.

Один из путей повышения качества и эффективности проектных решений связан с изучением и оценкой физико-механических свойств грунтов. Достоверные данные об этих свойствах и их изменчивости в пределах строительной площадки позволяют принять наиболее экономичные технические решения при выполнении работ нулевого цикла. Точность оценки и прогноза механических характеристик грунтов обеспечивает высокую надежность расчетов оснований зданий и сооружений.

Управление планированием развития территориально-промышленных комплексов, населенных пунктов, различных видов строительства и хозяйственного освоения территории, разработка комплексных схем охраны окружающей среды, районных планировок и генпланов городов, создание государственного кадастра территорий, как целевой геоинформационной системы, нуждаются в региональном изучении и оценке закономерностей взаимосвязи инженерно-геологических свойств грунта их пространственной изменчивости, инженерно-геологическом районировании и типизации ледниковых отложений применительно к целям и задачам массового строительства.

Увеличение в последние годы объемов строительно-монтажных работ, и продиктованная новыми условиями хозяйствования задача рационального расходования и экономии средств при строительстве определяют необходимость системного подхода к методологии и методике инженерно-геологических изысканий, при котором основание, фундамент и сооружение должны быть объединены в единый геолого-технический объект, представляющий собой сложную геотехногенную систему определенного структурного уровня. Один из основных вопросов оптимального инженерно-геологического изучения таких объектов - координация локальных проектно-изыскательских решений для достижения наилучшего пространственного, структурного и параметрического построения разрабатываемой системы.

Особую актуальность изложенные проблемы приобретают в связи с реализацией государственных программ: "О государственном кадастре территорий Республики Беларусь" и "Национальной программы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды на 1996 - 2000 гг.".

Цель диссертации состоит в разработке научных и методологических основ комплексного метода изучения и оценки ледниковых отложений для массового строительства с реализацией их в конкретных практических приложениях, направленных на обеспечение повышения качества и эффективности инженерно-геологических изысканий, оптимизацию стоимости строительства, решения вопросов охраны и рационального использования геологической среды.

1 В процессе работы решались следующие основные задачи:

1. Изучение закономерностей пространственной изменчивости отложений ;;кд:&1кового комплекса и установление корреляционных зависимостей прочностных и деформационных характеристик от различных сочетаний физических свойств и параметров зондирования.

1 3

!

2. Инженерно-геологическое районирование и типизация отложений ледниковой формации Беларуси на основе геолого-структурного анализа, закономерностей пространственной изменчивости и взаимосвязи показателей свойств грунтов.

3. Разработка методики и оценка качества и эффективности методов определения физико-механических свойств грунтов ледниковых отложений.

4. Разработка теоретических и методологических основ инженерно-геологического изучения и оценки ледниковых отложений в их взаимодействии с проектируемыми зданиями и сооружениями.

5. Обоснование с инженерно-геологических позиций основных методических принципов комплексирования методов прогноза прочностных и деформационных свойств грунтов ледниковых отложений территорий.

6. Разработка основ методологии оптимального инженерно-геологического изучения и оценки ледниковых отложений для массового строительства.

Основные защищаемые положения:

1. На формирование инженерно-геологических свойств грунтов ледниковых отложений существенное влияние оказали тектоническое строение территории, а также направленность и режим новейших тектонических движений. Последующие процессы гипергенеза видоизменили состав и свойства приповерхностных горизонтов моренных, флювиогляциальных и озерно-ледниковых грунтов, что необходимо учитывать при инженерно-геологическом изучении и оценке свойств этих отложений для строительства.

2. Закономерности пространственной изменчивости, вертикальная зональность и симметрия инженерно-геологических свойств грунтов ледниковой формации, неразрывно связанные с условиями их формирования и изменений при гипер-генезе, послужили научной основой (критерием) при разработке методологических принципов региональной оценки свойств грунтов ледниковых отложений, их типизации и инженерно-геологического районирования.

3. Разработанные научно- методические основы оценки качества и эффективности современных методов получения инженерно-геологической информации и реализованные в практических приложениях, являются одним из основополагающих факторов выбора оптимального комплекса методов для решения конкретных задач, а также управления качеством оценки свойств грунтов при выполнении инженерно-геологических изысканий.

4. Научная концепция и методологические основы инженерно-геологического изучения и оценки ледниковых отложений для целей массового строительства с позиций системного подхода и основы оптимизации объемов работ позволяют существенно повысить качество и эффективность инженерно-геологических изысканий, принимать оптимальные управленческие решения при реализации технологического процесса инженерно-геологических изысканий и как результат - экономичность проектов и снижение стоимости строительства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Изучены закономерности пространственной изменчивости ледниковых отложений на основе математических моделей полей условного динамического сопротивления - интегрального показателя, отражающего комплексные физико-механические свойства грунтов различных генетических типов.

2. Разработаны методические принципы региональной оценки инженерно-геологических свойств ледниковых отложений и с помощью методов корреляционно-регрессионного анализа изучены зависимости между показателями механических свойств грунтов, их физическими свойствами и параметрами зондирования, на основе которых составлены таблицы нормативных и расчетных значений характеристик грунтов для различных генетических типов ледниковых отложений.

3. Для территории республики разработана формально-логическая схема и осуществлено типологическое инженерно-геологическое районирование ледниковых отложений для целей массового строительства.

4. Разработана теоретико-методическая концепция оценки качества и эффективности методов изучения и оценки свойств грунтов и получены конкретные практические результаты.

5. Предложена методика и показана возможность количественного прогноза изменения прочностных и деформационных свойств моренных глинистых грунтов при повышении их влажности. Изучены пространственно-временные изменения свойств грунтов от воздействия источников загрязнения геологической среды.

6. Разработаны научно-методологические основы и определена принципиальная технологическая схема инженерно-геологического изучения и оценки ледниковых отложений как сложных геотехнических систем.

7. Разработана методология управления процессом инженерно-геологического изучения свойств грунтовых массивов во взаимодействии их с сооружениями и предложена схема оптимизации объемов исследований.

Практическое значение и внедрение результатов работы.

Основные результаты научных исследований автора положены в основу разработанных и внедренных республиканских нормативных и методических документов:

1. РСН 23-85. Статическое зондирование и пенетрационный каротаж грунтов в условиях БССР. 2. РСН 62-87. Динамическое зондирование грунтов в условиях БССР. 3. РСН 23-91. Статическое зондирование и пенетрационный каротаж грунтов в условиях БССР. 4. Рекомендаций по определению физико-механических характеристик моренных грунтов Витебской области (1988). 5. Рекомендаций по определению деформационных и прочностных характеристик рыхлых грунтов естественного сложения методами зондирования (1988).

Использованы при разработке:

1. Рекомендаций по определению несущей способности забивных свай различного сечения (1985). 2. СНиП 1.02.07-87. Инженерные изыскания для строительства. 3. СТБ 943-93. Стандарт Республики Беларусь. Грунты. Классификация. 4. СНБ 1.02.01-96. Строительные нормы Республики Беларусь. Инженерные изыскания для строительства. 5. СНБ 2.03.01-97. Строительные нормы Республики Беларусь. Основания и фундаменты зданий и сооружений.

Материалы исследований используются при инженерно-геологических изысканиях для строительства и реконструкции практически всех объектов массового строительства, а также использованы при выполнении комплексных инженерно-геологических изысканий для выбора площадок возможного размещения АЭС и при изысканиях и проектировании крупных и сложных объектов: Минского метрополитена, Белорусского металлургического завода. Филиала Минского тракторного завода. Магистрального газопровода Ямал-Европа и др.

Фактический материал и личный вклад автора в решение проблемы.

Рассмотренные в работе проблемы и пути их решения являются результатом многолетних исследований автором процесса инженерно-геологических изысканий в рамках комплексной научно-методологической концепции.

В основу работы положены результаты исследований, проводившихся непосредственно автором или под его руководством, выполненные в течение 1971-1997 гг. в процессе изучения инженерно-геологических условий строительства в пределах территории Беларуси, а также архивные материалы ГП "ГЕОСЕРВИС". Систематизированы и обобщены результаты определений физико-механических свойств отложений ледникового комплекса, выполненных более чем на 400 площадках в различных районах республики. Использованы результаты испытаний грунтов на срез (более 4 500), штампами (около 900), а также 60 испытаний свай статическими и динамическими нагрузками, с параллельным пенетрационным каротажем, статическим, динамическим зондированием и лабораторными определениями физических свойств грунтов. Проанализирован и обобщен опыт геологических и инженерно-геологических исследований ледниковых отложений для массового строительства различными организациями и специалистами Беларуси, стран ближнего и дальнего зарубежья (С.Д. Астапова, А. Брилингас, Г.К. Бондарик, Дж. Болтон. А.И. Введенская, Н.Г. Верейский, А. Вило, Е.Ф. Винокуров, Л.Н. Вознячук, А.Гайгалас, М.И. Горальчук, Г.И. Горецкий, И.М. Горькова, В.В. Дмитриев, E.H. Иерусалимская, A.A. Каган, Н.В. Коломенский, И.С. Комаров, Г.Л. Кофф, Н.И. Кригер, Ю.А. Лавру-шин, Э.А. Левков, В.Г. Лободенко, К.И. Лукашев, A.B. Матвеев, М. Мэтс, В.И. Осипов, И.А. Парабучев, Е.В. Рухина, М.А. Солодухин, Е.В. Шанцер, И. Шимкус, A.M. Шиссель, Р. Флинт и др.).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Республиканском семинаре "Пути повышения качества инженерных изысканий на территории Белорусской ССР" (Минск, 1984), научно-технической конференции " П)ти повышения эффективности использования подвижного состава" (Гомель, 1982), VI Международной Прибалтийско-Белорусской конференции по геотехнике (Таллин, 1986), научно-практической конференции "Эффективность, качество инженерно-строительных изысканий и охрана геологической среды в новых условиях хозяйствования" (Свердловск, 1989), VII Международной Прибалтийско-Белорусской конференции по инженерной геологии, механике грунтов и фундаментостроению (Рига, 1991), III Международной конференции "Проблемы свайного фундаментосгроения" (Минск, 1992), Международной конференции "Baltic Geotechnics' 95" (Вильнюс, 1995), Республиканской межвузовской конференции "Проблемы технологии производства строительных материалов, изделий и конструкций, строительства зданий и сооружений" (Минск, 1997), Всероссийской научно-практической конференции "Геоэкологическое картографирование" (Москва, 1998), на научно-технических Советах Госстроя БССР в 1989 и 1993 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 40 работах, включающих монографию [29], коллективную монографию [28] и 9 перечисленных выше нормативно-методических документов, отражены в научно-технических отчетах об исследованиях по целевым программам, а также в технических отчетах и заключениях об инженерно-геологических изысканиях для строительства и реконструкции различных здаций и сооружений.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка работ. В первых трех главах на основе анализа закономерностей пространственной изменчивости свойств выполнена региональная оценка ледниковых отложений и обоснована схема их типологического инженерно-геологического районирования. Три заключительные главы посвящены методологическим вопросам изучения и оценки физико-механических свойств этих отложений.

Автор благодарит своего учителя профессора И.С. Комарова за постоянную поддержку и ценные советы в процессе работы.

Автор выражает признательность В.Г. Лободенко, В.В. Казаряну, С.М. Лобаю, A.A. Осиповичу, H.H. Беззубенкову и другим сотрудникам ГП "ГЕОСЕРВИС", которые поддерживали и помогали в подготовке настоящей работы.

1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ*

По классификации A.B. Матвеева к основным генетическим типам отложений ледниковой формации Беларуси относятся моренные, флювиогляциальные и озер-но-ледниковые. На долю морены приходится 52%, на флювиогляциальные и озер-но-ледниковые отложения - 36% от общего объема антропогенового покрова. Широко развиты и особенно важны в инженерно-геологическом отношении отложения днепровского, сожского и поозерского горизонтов, разделенных межморенными песчано-глинистыми образованиями изменчивого состава и мощности. Мощность отдельных горизонтов обычно измеряется величинами в 5-30 м, но иногда в зонах краевых образований достигает 50 и более метров. Флювиогляциальные (зандро-вые) отложения имеют мощность от долей метра до 25-30 м. Для озерно-ледниковых образований максимальные мощности приурочены к центральным частям толщ и составляют от 7-10 до 25-50 м, уменьшаясь на периферических участках до 1-3 м. Мощность косвенно связанных с ледниковыми отложениями аллювиальных образований - от нескольких до 20-40, иногда и более метров, лессовидных -0,5-3 м, иногда достигает 8-15 м [19, 20, 28, 29].

При использовании грунтов ледниковой формации в качестве оснований зданий и сооружений необходимо учитывать вертикальную зональность и закономерности пространственной изменчивости их свойств. Если основание по данным зондирования сложено очень прочными, прочными и средней прочности грунтами [13, 21, 29, 30, 31, 32], применяются, как правило, фундаменты неглубокого заложения (ленточные, столбчатые, плиты и др.). В случае наличия слабых глинистых и малопрочных песчаных грунтов устраиваются свайные фундаменты из забивных и бур�