Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности инженерно-геологических изысканий на территориях распространения лессовых просадочных грунтов с учетом изменений уровня подземных вод и влажности грунтов зоны аэрации

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Особенности инженерно-геологических изысканий на территориях распространения лессовых просадочных грунтов с учетом изменений уровня подземных вод и влажности грунтов зоны аэрации"

^ ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО

РОСТОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ НА ТЕРРИТОРИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛЕССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЙ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ ЗОНЫ АЭРАЦИИ (НА ПРИМЕРЕ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

04.00.06 - гидрогеология

04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата геолого-мниералогических наук

На правах рукописи УДК 624.131.23:556.3

Микашипович Роберт Робертович

Росгов-на-Дону 1997

Официальные оппоненты:

Доктор геолого—минералогических наук,, профессор, член — корреспондент Российской Инженерной Академии Б.В.Смирнов

Кандидат геолого-минералогических наук, доцент Ю.Б.Текучев

Ведущая организация — АО "Ростовский ПромстройНИИпроект"

Защита состоится " 17 " декабря 1997 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета К.063.52.10 в Ростовском Государственном университете по адресу: 344090, г.Ростов-на-Дону, ул.Зорге,40, геолого-географнческнй факультет РГУ, аудитория 202.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научной библиотеке Ростовского Государственного университета

Диссертация в виде научного доклада разослана "14" ноября ; 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Кандгеолого — минералог.наук

В. С.Иазаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лессовые прссадочные грунты (ЛПГ) имеют широкое распространение на территории Российской Федерации. Они слагают весьма значительные площади многих городов, других поселений России. Лессовые просадочные грунты используются в качестве оснований зданий и других строительных сооружений, являются частью природной среды и своими специфическими свойствами в любом случае оказывают влияние на среду обитания человека. ЛПГ чутко реагируют на техногенные воздействия. Методически неправильная или неполная инженерно — геологическая оценка территорий распространения ЛПГ для целей строительства влечет за собой, как правило, деформации зданий и сооружений, их разрушение, осложнения в эксплуатации. Лессовые просадочные грунты требуют особого подхода к их изучению в процессе инженерно— геологических изысканий и непременного учета влияний на их свойства и поведение техногенных факторов, особенно таких, какподъем уровня подземных вод (УПВ) и замачивание лессовых просадочных толщ, а также повышение влажности грунтов их зоны аэрации.

Сам факт деформаций значительного количества зданий и других строительных сооружений, зачастую по причине неправильной оценки инженерно —геологических условий и неправильного прогноза их изменений, говорит о том, что подходы к изучению инженерно — геологических условий территорий, сложенных лессовыми просадочными грунтами, требуют совершенствования.

Остается серьезной проблемой прогноз изменений природных условий под влиянием техногенных факторов.

Ряд требований нормативных документов по инженерно — геологическим изысканиям на просадочных грунтах не учитывают накопленного опыта, результатов исследований, проведённьхх после выхода этих документов, и требует корректировки, дополнений, изменений и совершенствования.

Цель работы. На основе экспериментальных исследований, опыта инженерно —геологических изысканий и анализа изучения инженерно — геологических условий ключевого участка, других территорий Нижнего Дона обосновать необходимость изменений, дополнений и совершенствования ряда требований нормативных документов, . касающихся особенностей инженерно —геологических изысканий на территориях распространения массивов лессовых просадочных грунтов. Разработать и внедрить обоснованные 'предложения по изменениям, дополнениям и совершенствованию этих требований нормативных документов с • учетом воздействия на лессовы? массивы техногенных изменений подземных вод и влажности грунтов запы аэрации

Основные задачи исследований: — на основе анализа методики и результатов изучения инженерно —

геологических и гидрогеологических условий ключевого участка установить основные закономерности изменения инженерно — геологической и гидрогеологической среды под воздействием техногенных факторов, определяющие особенности инженерно — геологических изысканий на подобных территориях;

— опытно —экспериментальным путем обосновать способ инженерно — геологического опробования в скважшмх лессовых толщ, ' обеспечивающий наибольшее сохранение структуры и влажности грунтов при отборе монолитов. Дать обоснованные предложения

по включению в регламентированный нормативными документами перечень способов опробования лессовых просадочных грунтов • одноударного способа отбора из скважин образцов ненарушенного сложения. и влажности лессовых просадочных грунтов;

— на основе опытно— экспериментальных исследований оценить изменчивость характеристик просадочности лессовых грунтов и ее влияние на эксплуатационную надежность зданий, построенных на этих грунтах как основаниях. Обосновать необходимость введения при вычислении расчетных значений характеристик просадочности • коэффициента надежности по грунту, зависящего от изменчивости, количества частных определений, и заданной доверительной вероятности, что ранее нормативными документами предусмотрено не было;

— обосновать необходимость изменения нормированных методов обработки результатов лабораторных определений характеристик просадочности при определении возможной суммарной просадки толщи грунтов под действием их собственного веса (Б^);

— изучить закономерности процесса просадки лессовых толщ в массиве при техногенном подъеме УПВ. Экспериментально доказать возможность существования на территориях со вторым типом грунтовых условий по просадочности и техногенном подъеме УПВ грунтов в лессовых толщах, которые замочены, но процесс реализации просадки которых незавершен;

— отразить в требованиях нормативных документов необходимость учета при изысканиях на территориях с техногенным подъемом УПВ возможность наличия обводненных просадочных грунтов, процесс самоуплотнения которых от собственного веса полностью не завершен;

— на примере инженерно—геологических изысканий и гидрологических исследований на ключевом участке показать необходимость комплексного изучения и анализа природных условий территорий застройки и эксплуатации с включением в состав исследований стационарных режимных наблюдений за изменением режима подземных вод под воздействием техногенных факторов;

— на основе ретроспективного анализа и опыта применения разных

методов прогноза подъема УПВ выбрать наиболее оптимальный.

Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе более чем двадцатипятилетнего опыта инженерно — геологических изысканий, в которых принимал непосредственное участие автор, на территории Ростовской области, в том числе в г.Волгодонске. Проводились обобщения, анализ материалов изысканий и данных литературных источников, в том числе, - при составлении подразделов 1.1 — 1.7 использовались данные Гидрометеослужбы, 46' тома «Геологии СССР», 28 тома "«Гидрогеологии СССР», которые преломлены автором в аспекте основной темы исследований. Выполнялись специальные натурные опытно — экспериментальные работы по отработке методов опробования лессовых толщ, по изучению процесса просадки лессовых толщ в массиве на территории с развивающимся процессом повышения УПВ и изменчивости характеристик просадочности. Проведен анализ результатов десятилетних наблюдений за УПВ в техногенном режиме по более чем 500 стационарным наблюдательным скважинам, составляющим гидрогеологическую режимную сеть на основном ключевом участке, в организации и создании которой принимал непосредственное участие автор.

В качестве основного ключевого участка выбрана территория г.Волгодонска, где имеют широкое, почти повсеместное распространение лессовые просадочные грунты, подверженные в результате интенсивного строительства, как форсированным, так и пролонгированным во времени техногенным воздействиям. Эта территория является ярким примером влияния строительного освоения территории на природную геологическую среду . и реакции этой среды на техногенные нагрузки, вызванные строительством и эксплуатацией.

Научная новизна. Впервые в лессовом массиве послойно изучен и оценен процесс и закономерности развития просадок под действием собственного веса толщи, которые спровоцированы техногенным подъёмом УПВ на застроенной территории.

На примере анализа десятилетних наблюдений по более чем 500 стационарным наблюдательным скважинам показаны закономерности изменения режима подземных вод под воздействие техногенных факторов, а также количественные характеристики этих изменений.

Впервые доказана экспериментально возможность существования в лессовых толщах замоченных грунтов, процесс самоуплотнения которых (реализация просадки) не завершен.

Впервые опытно —экспериментальным'путем доказана возможность весьма значительной изменчивости характеристик просадочности даже на крайне малых расстояниях, т.е. практически в одной . точке массива, изменчивости, которая в десятки раз превышает вариантность физических характеристик лессовых грунтов в этой же точке.

Результатами опытно—экспериментальных исследований показана необходимость введения при определении расчетных значений характеристик просадочности коэффициента надежности по грунту, зависящего от изменчивости частных определений, их количества и заданной доверительной вероятности, что ранее- нормативными документами предусмотрено не было.

Практическая значимость и реализация работы. Работа позволяет получать при инженерно—геологических изысканиях более достоверную, полную и. обоснованную информацию об инженерно — геологических свойствах лессовых грунтов, об их возможных воздействиях (влияниях) на здания и другие строительные сооружения, расположенные на территориях распространения ЛПГ и учитывать . при инженерно —геологических изысканиях изменение их свойств, расчетных характеристик. В конечном счете результаты исследований позволяют снизить степень строительного риска при проектировании и строительстве на лессовых просадочных грунтах.

Работа реализована в конкретном использовании предложенных методов изыскательскими организациями Ростовской области. Изыскателями —геологами России используются Республиканские строительные нормы РСН 55 — 85 — "Инженерные изыскания. Инженерно-геологические изыскания на просадочных грунтах", учитывающие результаты исследований автора, который является одним из исполнителей — разработчиков этих норм.

Результатом неоднократных публикаций автора, его научных исследований, докладов и выступлений, обосновывающих необходимость введения коэффициента надежности по грунту при определении расчетных значений характеристик просадочности, стало включение' в новый ГОСТ 20522 — 96 — "Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний" метода получения расчетных значений характеристик просадочности, который предлагался автором.

Изыскательскими организациями используются обоснованные результатами данных исследований методы опробования лессовых грунтов, обработки лабораторных данных и их интерпретации, учет изменений характеристик ЛПГ при техногенном-повышении УПВ и влажности грунтов зоны аэрации, многие из которых в результате публикаций, выступлений автора и его участия в разработке нормативных документов, стали нормированными.

В 1996 г. автором разработано "Руководство по процедуре действий в случае проявления неблагоприятных (опасных) геологических процессов (подтопления подземными водами, просадки, подработки, оползни и др.) и вызванных ими деформаций зданий и сооружений" которое утверждено Администрацией Ростовской области и направлено во все муниципальные образования области для практического использования.

Основные защищаемые положения:

— на застраиваемых и уже застроенных территориях, сложенных

■ лессовыми просадочными грунтами, превалирующее влияние на уроненный режим первого от поверхности водного горизонта в этих грунтах и их влажности в зоне аэрации оказывают техногенные факторы. На таких территориях формируются весьма изменчивые во времени и пространстве инженерно — геологические системы, правильная оценка которых и прогноз их изменений возможны только при' глубоком анализе всего комплекса природных характеристик территорий и техногенных

' изменений, влияющих на инженерно —геологическую среду;

— лессовые просадочные грунты обладают весьма высокой изменчивостью характеристик просадочности даже на крайне малых расстояниях, т.е. практически в одной точке массива. Величина этой изменчивости в десятки раз превышает

■ вариантность физических характеристик грунтов в этой же точке;

— методы получения расчетных значений характеристик просадочности лессовых грунтов должны предусматривать введение коэффициента надежности по грунту, зависящего от количества частных определений, изменчивости и заданной доверительной вероятности;;

'— при расчете суммарной просадки (Ss|) грунтов под действием собственного вссз в расчет слсдуот принимать слои толщи но только с относительной просадочностъю (f-si) под бытовым давлением более 0,01, но и все слои внутри просадочной толщи, если их £si под бытовым давление больше нуля;

— при неравномерном но площади техногенном подъме УПВ и вызванных этим подъемом просадках под действием собственного веса грунтов, па территориях со вторым типом грунтовых условий по просадочности передача полного бытового давления на некоторое, довольно длительное время прерывается. На таких территориях могут встречаться лессовые просадочные замоченные грунты, просадка которых под бытовым давлением полностью не реализована, процесс их просадки не завершен, что должно

■ учитываться при инженерно —геологических изысканиях. Необходимость учета этого явления должна найти отражение в требованиях нормативных документов;

— на территориях, сложенных просадочными лессовыми грунтами с техногенными изменениями УПВ, при составлении прогноза подъема УПВ наряду с другими методами следует применять метод гидрогеологической и техногенной 'аналогии, который при правильном подборе аналога представляет собой по существу природный эксперимент и является наиболее достоверным.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований доложены на Всесоюзном совещании "Процессы подтопления застроенных территорий грунтовыми водами (прогноз и защита}", г.Новосибирск, 1984г.;

на Всесоюзном лессовом семинаре "Классификационные критерии разделения лессовых пород", г.Москва 1984г; на Всесоюзной конференции "Проектирование и строительство зданий и сооружений на просадочных грунтах", г.Волгодонск, 1984г; на Всероссийском совещании - семинаре "Повышение качества инженерно—строительных изысканий на основе внедрения достижений научно—технического прогресса, совершенствования форм и методов информационной работы и пропаганды передового опыта", г.Красноярск, 1986г; на Всесоюзном рабочем совещании —семинаре "Рациональное народнохозяйственное освоение территорий распространения лессовых просадочных образований", г.Горький, 1987г; на Всесоюзном совещании по инженерной геологии лессовых пород, г.Ростов —на—Дону, 1989 г; на .Всесоюзном научно —практическом семинаре "Проблемы экологии в инженерных изысканиях", г.Душанбе, 1990 г. на Всероссийской конференции "Новые идеи в инженерной геологии", г.Москва, 1996 г.

Основные результаты исследований автора опубликованы в 13 печатных работах (8 в центральной печати), в том числе, в книге "Повышение эксплуатационной надежности .зданий и сооружений при строительстве на просадочных грунтах" под редакцией Госстроя России, в Республиканских строительных нормах РСН 55—85 — "Инженерные изыскания. Инженерно — геологические изыскания на просадочных грунтах" (автор — один из разработчиков —исполнителей), в "Рекомендациях по уплотнению

просадочных лессовых грунтов Ростовской области способом исследовательного. .повышения динамических контактных давлений (ППКД)", одобренных президиумом научно —технического совета Госстроя СССР (автор — один из разработчиков —исполнителей). Результаты исследований, методики и положения изложены также в многочисленных неопубликованных методических рекомендациях, которые широко используются изыскателями Ростовской области, и в отчетах об инженерно — геологических изысканиях, которые составлялись автором, или под его техническим руководством в течение его почти 30—ти летней практической и'научной деятельности в Ростовском—на —Дону тресте инженерно — строительных изысканий — "РостовДонТИСИЗе" (более 300 отчетов).

Объем работы. Диссертация в виде научного доклада состоит из введения, семи разделов, выводов и списка опубликованных работ автора.

Автор выражает глубокую признательность доктору геолого — минералогических наук, профессору Н.В.Волянику за ценные советы и помощь при обобщении результатов исследований и формировании их в представленный доклад, а также:

— сотрудникам кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов РГСУ и, прежде всего, Заслуженному деятелю науки, доктору геолого — минералогических наук, профессору В.П.Ананьеву;

— всем коллегам, принимавшим участие в опытно — экспериментальных работах, анализе полученных данных и совместных публикациях.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ОСНОВНОГО КЛЮЧЕВОГО УЧАСТКА - Г.ВОЛГОДОНСКА, РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ ~

1.1. Местоположение и климат

Волгодонск расположен на юго-востоке европейской территории России в 200 километрах от г.Ростова —на—Дону и относится к зоне континентального климата с большим количеством тепла (суммарная солнечная радиация за год 117 кал/см3) и резко выраженной среднегодовой амплитудой колебаний температуры воздуха, которая достигает 73°. Территория характеризуется недостаточным увлажнением, жарким и сухим летом, сравнительно продолжительной и прохладной зимой, начало которой часто сопровождается оттепелями.

К характерным особенностям района относится и ветровой режим района. Преобладающими являются ветры восточного направления, которые в летнее время несут жару и сухость воздуха, зимой — холод. Восточные ветры достигают скорости 15 — 22 м/сек., а иногда и более, порой вызывая пыльные бури, способствующие процессу современного эолового осадконакопления.

1.2. Цимлянское водохранилище

Составной частью природных условий г. Волгодонска стало Цимлянское водохранилище, созданное перекрытием части долины и русла реки Дон на 237 километре от его устья и осуществляющее многолетнее регулирование стока. Наполнение водохранилища, начатое в январе 1952 г. достигло проектной отметки наполнения (36 м в балтийской системе высот) в мае 1953 года.

Изменение уровня воды в водоеме оказывает влияние на режим подземных вод г. Волгодонска, которые в прибрежной полосе имеют с ним гидравлическую связь.

1.3. Орография

В орографическом отношении территория Волгодонска расположена в верхней части долины Нижнего Дона, переходящей на юго-востоке, в пределах перспективного развития города, в пологий уступ северо-западного склона Ергенинской возвышенности (рис.1). Возвышенность высотой 100 — 200 м над уровнем моря, к западу и севсфо —западу понижается до 120—80 м, где

постепенно переходит в долину Нижнего Дона, при этом отсутствует четко выраженная морфологическая граница между долиной - Нижнего Дона и северо-западным склоном Ергенинской возвышенности в районе г. Бол! одинскч. На высоте до 65 м над уровнем моря в основании эолово — делювиальных покровных лессовых суглинков залегают аллювиальные глины и пески, что указывает на то, что г. Волгодонск находится в долине нижнего Дона. . -------------

1.4. Геоморфология

Геоморфологически территория Волгодонска (жилая и промышленная зоны) располагается на четвертой надпойменной террасе Дона и донского склона Доно — Сальского водораздела. В пределах района выделяются эрозионно —аккумулятивный рельеф, к которому относится четвертая надпойменная терраса Дона и эрозионно—аккумулятивный рельеф с элементами денудации, характерный для склона указанной террасы.

На краевых участках территории нового города и промышленной зоны выделяются эрозионные формы рельефа, представляющие собой сухие балки.

Абсолютные отметки поверхности старого города изменяются в пределах от 33 до 52 м, нового города — от 33 до 63 м и промышленной зоны — от 47 до 71 м. Территории с абсолютными отметками поверхности до 36 метров могут периодически затапливаться водами Цимлянского водохранилища.

1.5. Микрорельеф

Весьма важной чертой строения поверхности четвертой надпойменной террасы Дона и склона Ергеней для инженерно — геологической характеристики территории нового города и промышленной зоны является развитие на ней просадочных форм микрорельефа: "блюдец" и лощинообразных понижений. Последние образуются при слиянии нескольких просадочных "блюдец".

Образование этих форм микрорельефа было вызвано скоплением атмосферных вод в малейших понижениях, обусловленных эрозией поверхности, замачиванием грунтов и их. просадкой под действием собственного веса. По мере развития этого процесса указанные факторы (замачивание и просадка) взаимно усугублялись: — чем больше просадки, тем больше понижение поверхности и скопление в ней атмосферных вод, замачивание грунтов и, Как следствие, дальнейшие просадки и т.д.

Эти понижения рельефа имеют размеры от нескольких метров до 160 — 200 м в поперечнике. Глубина их также колеблется в пределах от 0,2 до 1,5 м.

орографическая схема

О.,,- I

1.6. Геологическое строение

В структурно —тектоническом отношении территория Волгодонска приурочена к валу Карпинского, представляющему собой крупную антиклинальную складку. Район расположен на северо-восточном крыле вала, вблизи его осевой части. Основные черты тектоники рассматриваемой территории определяются ее принадлежностью к Скифской плите молодой эпигерцинской платформы, составной частью- которой является и вал. Карпинского. Район г. .Волгодонска относится к" Цимлянской системе поднятий, расположенной в северо-восточной части блока погруженного Донбасса. В пределах Цимлянской системы поднятий глубина залегания палеозойского фундамента не превышает 400 м. Мезазойско—кайнозойский структурный этап в своих основных чертах повторяет строение поверхности палеозойского фундамента, но отличается типично платформенным режимом, характеризующимся унаследованным развитием крупных структур, образовавшихся в позднем палеозое с чередующимися постепенными подъемами и опусканиями территорий (Н.И. Погребнов, И.И.Потапов, Б.В.Смирнов, 1970 г.).

На четвертой надпойменной террасе поверхность майкопских глин перекрывается аллювиальными нижнечетвертпчными отложениями, которые представлены, в основном, песками, в верхней части — темно —серыми глинами и суглинками. Глинистые аллювиальные отложения на значительных площадях отсутствуют, где поверхность нижнечетвертичных аллювиальных отложений представлена песками (Рис. 2,3,4).

Исключение представляет юго-западная часть нового города, где в пределах морфологических границ четвертой надпойменной террасы имеется ограниченный со всех сторон останец неогеновых отложений, который в геологический работах по региону известен под названиием "Добровольский останец". Здесь на майкопских глинах залегают отложения неогена — переслаивание глин и известняков. Указанные образования обнажаются на правом склоне балки Сухо — Соленой. В части нового города, прилегающей к этой балке, отложения неогена залегают практически с поверхности или под лессовыми грунтами малой мощности. В остальных направлениях поверхность останца довольно резко понижается, уходя под покровные и аллювиальные отложения.

Аллювиальные отложения терассы и пески Ергенинской возвышенности в описываемом районе перекрыты мощным чехлом покровных четвертичных отложений (Рис.4), которые представлены слоем лессовых пород, мощностью 20—40 м (пять горизонтов лессовых суглинков, разделенных погребенными почвами).

1.7. Гидрогеологические условия

Гидрогеологические условия описываемой территории характеризуются приуроченностью водоносных горизонтов (комплексов) ко всем крупным подразделениям стратиграфического разреза. Регионально выдержанная

СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ КОЛОНКА г. ВОЛГОДОНСКА

п О р С Д

Почккно-Г5и)а.розанкуЯ комллелс

Суглинчк желто-Еурые с арсззгык оттенком, серые, клзитые, ожбланениыг '-исто олесчанекнае.

Глины желта-^рые с герогагыы слепком .серые, клсзэт«, вжелезиенные, часта олесчзиенныг.

tVCyr.ec* сгрме, вздакасыщекхые. 15-Лмкх сйрыг, иелкне, бсдзязсыцгнные

1-Суп инки жгпгсвэтв-Сурыв, лессовидные, прссздрчмые 1а-то же мепрссадочные

15-С-,гя*нхи Т8мнэ-Сур»1в проеадочмые-нсколаеиая почка 15-та ж» нелросздочяяе.

2 -Сугликхи экглто-йурыг, леособндные, лросадочные 2а-то«е мя/мсздсчнш.

^-Суглинки тгуко-Ь7р=:г, прзсздочние-исколагмая почва ге-таже иятросадмнуе

з-С/мимк гке^гто-Еурые /1?еслгкди*е, лросадсчныг ¿о-то жз кглрссадгчкыг

С)тлнг1«н и .т.х-иы-темно-бур;«-к;холаемзя лочза :" 35-лрхз£гзчиые; зв-нелрссадочные

Суглинки ЖМГО-бура!® С КОрчч'НЕЕЗТЫМ СТПнКОм ,ЛГССОВ(днь16

^-прогадзчяьга ;^-КЕлросадсчныг.

Суглинки кормчке*ато-{урм -меколземая почка:

45-ясосзяочкв-,е; 4Е,-нгпрсгадсчнь!5

Сугггикя жглто-буруе с ирасиэватым опенком; Ь-прегздсчкы: ; 5о-иелросадачмые

Тлмы гемно-у/аи'мапамя гага, нелрссздочхыг_

Суглкхки темко-Гуоыг, желто-Бурые с красноватый оттенком, кепросадзчные. '

Глин¡1 а!яекоязтв-сзрыг, тонкзглэнстые с пятнами к нзтгкг ми сжглсзнгккя.с прослойками и гнездами никого пгска.

Пкк" жглтпватя-серые, сьетта -серы?, мелкие в то;,ошве ef.su С галькзн и гравием.

Гл*^ ив-)Сио-5урые с гипсом к вкраплениями марггми°вс-.^пг^ясть!* ссэдньгниД с извеегксгымм конкреции.

10-Л ЕСКИ

I."->■!•»! т?1/гЮ-с."гые ? сил .-■»■: :гтгчзм >■, згле^оыто-ее?»«: С 5КЛ>Сч;нием грася

Рис. Ч

мощная толща водоупорных майкопских отложений разделяет их на два водоносных этажа: надмайкопской и подмайкопской (Е.Н.Липацкова, 1970 г.).

Подмайкопский водоносный этаж, залегающий на глубинах 300 м и более метров, перекрытый сверху мощной толщей водоупорных майкопских глин не оказывает влияния на здания и сооружения г. Волгодонска и не имеет практического значения из —за низких дебитов и высокой минерализации.

Надмайкопский водоносный этаж представлен в районе_г. Волгодон — ска двумя водоносными горизонтами: _ . '

Водоносный горизонт четвертичных эолово —делювиальных лессовых отложений и водоносный горизонт аллювиальных отложений. .

Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта четвертичных отложений, далее условно именуемые "Грунтовые воды"(ГВ), приурочены к лессовым суглинкам. Этот водоносный горизонт имеет свободную гипсометрическую поверхность (без верхнего водо упора). Местным нижним водоупором его служат аллювиальные глины, в толще которых имеются "окна", где под лессовыми суглинками залегают аллювиальные водопроницаемые пески. В местах, где в основании лессовых скглинков залегают пески, водоносный горизонт в червертичных отложениях отсутствует.

Минерализация первого от поверхности водоносного горизонта в естественном состоянии на большей части территории составляла 3 — 35 г/л. На участках блюдцеобразных понижений, лощин, на склонах балок Сухо— и Мокро —Соленой минерализация снижалась до 1—3 г/л. Наблюдается увеличение минерализации от понижений к водоразделам и в южном направлении, к склону Доно — Сельского водораздела.

По химическому составу подземные воды весьма различны: от хло — ридно — сульфатных натриевых до гидрокарбонатных кальциевых. В естественном режиме сильноагрессивны к плотным бетонам из. несульфатостойких марок цемента.

В пределах Добровольского останца неогеновых пород водоносный горизонт, залегающий в нижней части неогеновой толщи, приурочен к неогеновым пескам и имеет единую гипсометрическую поверхность с водоносным горизонтом в аллювиальных песках, которые примыкают к неогеновым со всех сторон. В связи с этим все изменения в положении уровня воды в аллювиальных песках распространяются и на водоносный горизонт, приуроченный к неогеновым пескам, так как это по существу единый водоносный горизонт (Рис.2,3). До застройки этой территории в верхней части неогеновых отложений (глинах, известняках)подземных вод не было.

Водоносный горизонт аллювиальных отложений приурочен к пескам и до создания Цимлянского водохранилища он был ненапорным, имел свободную гипсометрическую поверхность. Зеркало горизонта находилось на абсолютных отметках 15—25 м, то есть ниже верхнего -водоупора — аллювиальных глин, не имеющих повсеместного распространения.

Нижним водоупором аллювиального водоносного горизонта является региональный всдоупор — майкопские глины. Водоносный горизонт имеет инфильтрационное питание за счет местных водосборов, перетекания из вышележащего водоносного горизонта в суглинках и примыкающего с юго-востока ергенинского водоносного горизонта, имеющего более обширные области питания. Минерализация водоносного горизонта изменяется в пределах от 0,5 до 4 г/л. Водоносный горизонт имеет практическое значение и используется для водоснабжения.

Фильтрационные свойства грунтов характеризуются следующими показателями:

Коэффициент фильтрации водонасыщенных лессовых суглинков изменяется в пределах от 0,05 до 0,87 м/сут., при этом наиболее распространенные значения — от 0,15 до 0,35 м/сут., среднее значение — 0,22 м/сут.

Коэффициент фильтрации лессовых суглинков в зоне аэрации изменяется в пределах от 0,03 до 0,76 м/сут. Среднее значение — 0,36 м/сут.

Коэффициент фильтрации песков изменяется в пределах от. 0,86 до 17,7 м/сут. Среднее значение — 3,9 м/сут..

Приведенные данные указывают на изменение в широких пределах фильтрационных свойств суглинков по площади на рассматриваемой территории. Кроме того суглинки, по —видимому, обладают значительной фильтрационной анизатропией, коэффициент анизатропии по данным мелиоративных исследований в этом районе может достигать 2, 3 и более.

После образования в 1952 г. Цимлянского водохранилища режим двух описанных водоносных горизонтов в полосе шириной 3 — 6 км, прилегающей к водохранилищу, резко изменился. В водоносном горизонте в аллювиальных песках, перекрытом глинами, установился напор 4 — 8 м, началось водонасыщение лессовых суглинков снизу, в местах расположения в глинах "окон". Его пьезометрическая поверхность поднялась до уровня гипсометрической поверхности подземных вод в суглинках, с отставанием реагируя на колебания уровня в Цимлянском водохранилище.

Водоносный горизонт в лессовых суглинках приобрел сплошное распространение, его гипсометрическая поверхность заняла положение, примерно соответствующее уровню воды в Цимлянском водохранилище, с некоторым отставанием, повторяя его колебания (от 31 до 37 м в абсолютных отметках). При понижении уровня воды в Цимлянском водохранилище этот водоносный горизонт дренируется в водохранилище, питает его, и, наоборот, при подъеме уровня воды в водохранилище происходит соответствующая подпитка водоносного горизонта.

В зависимости от положения уровня воды в водохранилище меняется и напор в аллювиальном водоносном горизонте: чем выше уровень воды водохранилища, тем выше подпор.

Практически не подвергались влиянию Цимлянского водохранилища лишь крайние, восточные и юго-восточные территории, прилегающие к

Волгодонску, зоны будущей промышленной застройки, примыкающие к склону Ергенинской возвышенности.

Создание Цимлянского водохранилища по существу явилось первым этапом техногенных нарушений природной среды, в том числе и гидрогеологических условий.

Таким образом до строительства завода и нового города первый от дневной поверхности водоносный горизонт находился на абсолютных отметках 31 — 37 м, то есть на глубине 5 — 30 м от дневной поверхности.

1.8. Инженерно-геологические условия

Инженерно — геологические условия района г.Волгодонска обуслов — лены всем комплексом природных характеристик,, в которых этот район расположен и которые обобщены и проанализированы в предыдущих разделах: орографией, геоморфологией, структурно —тектонической принадлежностью, климатом, геологическим строением, гидрогеологическими условиями и др.

Главной особенностью инженерно — геологических условий района г. Волгодонска является развитие на большой части его территории мощной толщи эолово—делювиальных лессовых суглинков верхне- и средне — вернечетвертичного возраста, которые залегают практически с поверхности (перекрыты лишь маломощным почвенно — гумусированным комплексом толщиной 0,8 — 1,3 м). На большей части района суглинки имеют мощность 20 — 30 м, а на высоких отметках поверхности их мощность достигает 35 — 40 м. В зоне аэрации они являются в основном просадочными, кроме самой нижней части среднечетвертичных отложений. Исключение представляет территория распространения Добровольского останца неогеновых пород, где практически с поверхности или под чехлом лессовых грунтов' небольшой мощности залегают неогеновые отложения, представленные переслаиванием глин, известняков и песков, которые' являются надежным основанием для зданий и сооружений. Однако участок с такими условиями имеет подчиненное распространение и не превышает 5% площади района г. Волгодонска.

Верхнечетвертичные отложения представляют три горизонта сутлин — ков с тремя почвенными горизонтами, среднечетвертичные — два горизонта суглинков с двумя почвенными горизонтами, последний из которых отделяет их от нижнечетвертичных отложений, ' представленных в основном аллювиальными отложениями Дона (рис.4).

Верхнечетвертичные лессовые суглинки — макропористые, высокопо — ристые (коэффициент пористости более 0,8, а пористость 44 — 47 %), имеют низкую плотность (плотность сухого грунта составляет 1,40—1,50 г/см3), низкую влажность в естественном состоянии (И — 14%), степень влажности — 0,47 0,50.

Прочностные свойства этих образований характеризуются углом внутреннего трения, равным 16—17° и сцеплением 10 — 14 кПч. Приведенные прочностные характеристики • соответствуют полностью

водонасыщенным грунтам. В условиях природной влажности прочностные свойства не определялись в связи с тем, что здания и сооружения по требованию нормативных документов в данных условиях должны проектироваться с учетом возможности полного водонасьицения грунтов оснований.

Модуль деформации суглинков определялся как при полном водо — насыщении грунтов, так и при их естественной влажности, для определения коэффициента изменчивости (а = Е/Е$аг). Верхнечетвертичные суглинки при полном водонасыщении являются сильно сжимаемыми, модуль деформации в основном составляет 4 — 6 МПа, реже 7 — 8 МПа, причем последние значения больше характерны для нижних частей верхне-четвертичных суглинков. При естественной влажности модуль деформации, как правило, более чем в два раза выше и составляет 13—18 МПа .

Два горизонта суглинков среднечетвертичных отложений существенно отличаются по своим физико —механическим свойствам друг от друга.

Верхний горизонт среднечетвертичных суглинков залегает в естественном режиме выше уровня грунтовых вод. При этом на отдельных участках его просадочные свойства утрачены.

Лессовые суглинки первых от дневной поверхности четырех горизонтов обладают просадочными свойствами (все три верхнечегвертичных горизонта и один среднечетветричный).

Самый нижний слой лессовой толщи в подавляющем большинстве случаев непросадочный.

Мощность просадочной толщи изменяется в широких пределах и на большей части территории составляет 20 — 26 м, на высоких отметках рельефа, в пределах площадей, прилегающих к склону Ергеней, достигая 35 м.

Район г.Волгодонска преимущественно относится к грунтовым условиям второго типа по просадочносги с возможной суммарной просадкой под действием собственного веса грунтов при замачивании более 5 см. Возможные просадки грунтов под действием собственного веса изменяются на большей части территории в пределах от 15 до 50 см и более, достигая в юго-восточных и южных ее частях 110 см.

Наименьшая просадка грунтов от собственного веса наблюдается у Цимлянского водохранилища й его заливов, в отдельных лощинах, склонах балок, на Добровольском останце и просадочных "блюдцах" — характерных формах микрорельефа, где просадка грунтов либо отсутствует, либо не превышает 5 см. На этих территориях или в результате замачивания произошло частичное либо полное самоуплотнение грунтов, или мощность самого лессового покрова является небольшой (Добровольский останец). Ширина полосы просадочной толщи первого типа грунтовых условий по просадочности составляет 500— 1500 м у Цимлянского водохранилища и 300 — 600 м на склонах Добровольского останца. Участки с суммарной просадкой до 5 см наблюдаются в виде отдельных изолированных пятен, приуроченных к просадочным "блюдцам", а также в виде сплошных полос, вытянутых вдоль тальвегов балок, их отвершков и лащинообразных понижений.

Наиболее широкое распространение в центральной и южной частях нового города и в промышленной зоне имеют участки с возможной просадкой грунтов под действием собственного веса в пределах от 25 до 50 см.

Грунты г.Волгодонска на превалирующей части территории относятся к незасоленным — суммарное содержание легко— и среднерастворимых солей составляет менее 5 %. Засоленные грунты наблюдаются в отдельных местах в зоне аэрации в основном на водоразделах- и в южной; юго — восточной части района, в промышленной зоне, где они встречаются на незначительных площадях. Содержание легко— и среднерастворимых солей на этих участках в преобладающем большинстве случаев не превышает 10% и представлено наличием отдельных слоев грунта с повышенным содержанием среднерастворимых солей (гипса).

Таким образом к-основным инженерно—геологическим условиям, характеризующим район ключевого участка относятся:

наличие на большей части территории мощной толщи лессовых суглинков, обладающих просадочными свойствами;

значительная глубина распространения просадочных грунтов в основном 20 — 25 м и иногда до 35 м от дневной поверхности;

значительная возможная просадка грунтов под действием их собственного веса при замачивании, которая может в основном изменяться в пределах от 20 до 50 см, достигая в отдельных местах 110 см;

низкие начальные просадочные давления лессовых суглинков, высокие величины относительной просадочности при давлениях близких к возможным в активных зонах воздействия нагрузок зданий и сооружений на грунты;

низкие коэффициенты фильтрации суглинков, их высокая измен — чивость по площади и по глубине, фильтрационная анизотропия, способствующая быстрому подъему уровня подземных вод при техногенных воздействиях на природную среду.

2. ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ СТРОИТЕЛЬСТВА И ИХ ОЦЕНКА. СИСТЕМА РЕЖИМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Крупномасштабное и интенсивное строительство завода "Атоммаш", нового города, с одновременным расширением и застройкой старого города вызвали изменения гидрогеологического режима застраеваемой территории и поверхностного стока атмосферных осадков и талых вод.

Строительные котлованы во время, весенних паводков и дождей превращались в инфильтрационные бассейны, питающие горизонт подземных вод.

Складирование грунта, прокладка сети временных дорог без кюветов, уничтожение растительного покрова на больших площадях — все это повлекло нарушение естественного поверхностного стока воды.

Устройство свайных фундаментов глубокого заложения длиной 15 —20м. вызывало нарушение баланса естественного дренирования (барражный эффект).

Водосборниками стали плоские крыши зданий, часть стоков с кото — рых в результате неорганизованного сброса попадало в грунт.

В результате нарушений, допущенных при устройстве инженерных сетей, начались утечки из водонесущих коммуникаций, которые в свою очередь, вызывая просадки грунтов, увеличивали деформации трубопроводов и их стыков, усугубляли эти явления.

Перечисленные техногенные изменения природной среды повлекли резкие нарушения естественного баланса и режима подземных вод, влажности грунтов зоны аэрации.

Для наблюдения за режимом грунтовых вод в 1979 г. трестом "РостовДонТИСИЗ" была создана сеть стационарных^ наблюдательных скважин, в организации, создании которой и исследованиях по результатам наблюдений за техногенными изменениями в режиме подземных вод до 1995 года принимал непосредственное участие автор. Сеть ежегодно расширялась и к 1985 г. общее количество наблюдательных скважин приблизилась к 600. Наблюдения за уровнем подземных вод выполнялись ежедекадно, анализы воды проводились 1—2 раза в год. Были установлены наблюдения за температурой воды. По данным этих наблюдений ежеквартально составлялись карты гидроизогипс, гидроизотерм, графики изменений уровня подземных вод. Выполнялись опытные гидрогеологические работы. Эти данные позволили провести анализ происходящих изменений в водоносных горизонтах в результате влияния техногенных факторов.

Исследования показали, что основное влияние на режим первого от поверхности водоносного" горизонта стали оказывать техногенные факторы. Естественные сезонные колебания, а также колебания, связанные с изменением уровня воды в Цимлянском водохранилище, оказались незначительными по сравнению с техногенными колебаниями. Естественные сезонные колебания остались существенными на общем фоне лишь на участках, прилегающих к Цимлянскому водохранилищу.

На территории г. Волгодонска начался интенсивный и неравномерный по площади подъем подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта — грунтовых вод (ГВ).

Гипсометрическая поверхность водоносного горизонта стала изме— няться в связи с появлением значительного количества "куполов", уровень грунтовых вод (УГВ) стал весьма нестабильным во времени и пространстве.

Так, например, по данным наблюдений за УГВ в г. Волгодонске, куполовидные подъемы гипсометрической поверхности водоносного горизонта высотой 2 — 4 м, формировались в отдельных местах за 20 — 30 суток.

Перепады УГВ на расстоянии всего 120— 150 м достигали иногда 7 — 9 м. Наибольшая высота подъема уровня составила 16 — 22 м. Максимальные размеры "куполов" в плане составили 500x700 м.

На участках между "куполами" также наблюдался подъем уровня грунтовых вод, хотя и с меньшими скоростями — 0,3 — 0,9 м/год.

Сопоставление мест расположения наблюдающихся аномалий уровня подземных вод с расположением сетей водонесущих коммуникаций свидетельствует о том, что основной причиной повышения уровня являются утечки воды из водопровода, канализации, теплосетей. Наибольшая дополнительная инфильтрация, а следовательно, и наибольший подъем уровня отмечался на участке с самой большой насыщенностью коммуникаций (около 800 пог. м на 1 га площади).

Устранение крупных утечек из водонесущих коммуникаций и систем останавливает подъем уровня подземных вод на "куполах". Однако снижение уровня идет крайне медленно, в форме постепенно растекания' ""куполов", которое влечет подъем уровня подземных вод на их крыльях и прилегающих к ним территориях.

Куполовидные формы поверхности водоносного горизонта, быстрое формирование "куполов" в местах дополнительных инфильтраций с крутыми дспрессионными поверхностями, затрудненное и медленное растекание "куполов" при ликвидации. источников, инфильтрации указывают на фильтрационную анизотропию четвертичных суглинков и являются следствием последней. Эти явления в подобных масштабах возможны лишь при значительной разнице между вертикальными и горизонтальными коэффициентами фильтрации.

Наличие внутри лессовой толщи погребенных почвенных горизонтов, обладающих более низкими коэффициентами фильтрации, создало условия для формирования на этих относительно водоупорных маломощных слоях временных "подвешенных" водоносных горизонтов локального распространения.

На территории Добровольского останца, где лессовые породы отсутствуют или имеют малую мощность, на неогеновых отложениях стал формироваться водоносный горизонт чисто техногенного происхождения, который пока не имеет повсеместного распространения в пределах останца. Гипсометрическая поверхность этого водоносного горизонта находится на глубинах 2 — 4 м от дневной поверхности. Воды имеют высокую минерализацию (до 21 — 31 г/л) и обладают сильной степенью сульфатной агрессивности ко всем бетонам, изготовленным на обычных марках цемента.

Величина дополнительной инфильтрации в результате техногенных нарушений, рассчитанная на основании фактической высоты подъема решением обратной задачи по гидродинамическому методу прогноза, составляет на территории г. Волгодонска, в местах наибольших подъем' 0,019-0,025 м/сут.

В процессе инфильтрации и подъема грунтовых вод происходит

растворение солей зоны аэрации и, как следствие, изменение химизма и минерализации подземных вод.

В связи с тем, что процесс техногенного подъема УПВ крайне неравномерен по площади и изменчив во времени на первом этапе формирования техногенного режима, гидрохимический режим находится в постоянной динамике. В зонах дополнительного питания повышение минерализации за счет растворения солей компенсируется опреснением водами, дополнительной инфильтрации, которые, как правило, менее минерализованы чем подземные.

Между "куполами" . и на их периферийных участках, где путь движения вод дополнительного питания уже значителен, часто возникают "стекания" с нескольких "куполов" встречных направлений и минерализация вод растет интенсивней. Впоследствии, когда техногенные изменения в какой —то мере, частично стабилизируются, начинается повышение минерализации и на "куполах". Этот процесс в значительной мере осложняется неравномерностью засоленности грунтов. Когда УПВ достигает глубин 10 м и менее от дневной поверхности, в процесс вовлекаются более засоленные толщи грунтов и минерализация интенсифицируется. Рост минерализации идет за счет растворения, в основном, среднерастворимых солей, представленных гипсом, поэтому растет содержание иона БО^, а значит и сульфатная агрессивность. В результате . техногенных нарушений чаще встречаются места с минерализацией 15—20 г/куб.дм, а иногда и более при содержании сульфатов 8—10 г/куб.дм. и более.

■При техногенном подъеме наблюдается явная общая тенденция к повышению степени сульфатной агрессивности.

Техногенные изменения наиболее интенсивное влияние оказывают, в основном, на первый от поверхности водоносный горизонт. Горизонт в песках хотя и претерпевает некоторые изменения, но они практически не влияют на здания и сооружения.

По данным прогноза подъем уровня первого ' от поверхности водоносного горизонта в четвертичных суглинках, без активных мероприятий предотвращающих его, возможен до глубины 2 — 4 метра от дневной поверхности, а в отдельные периоды в результате сезонных колебаний, УГВ может достигать поверхности земли. Заглубленные части зданий, в которых не предусмотрены специальные мероприятия могут быть подтоплены.

Техногенное влияние на изменение инженерно —геологических свойств грунтов оказывает не только подъем подземных вод, но и увеличение влажности грунтов зоны аэрации. При этом влажность расположенных выше УПВ грунтов становится крайне изменчивой по площади, по глубине и во времени. На расстояниях в несколько метров влажность грунтов в результате техногенных нарушений может изменяться в пределах от 0,10 до 0,23, а степень влажности от 0,4 до 0,8 и до полного водонасыщения.

В результате замачивания, местного или общего подъема подземных вод физико —механические свойства просадочных грунтов существенно изменяются. Величина модуля деформации уменьшается в 1,5 — 2 раза.

Прочностные свойства изменяются в сторону уменьшения, главным образом, за счет уменьшения сил сцепления.

Подъем уровня подземных вод и неравномерное замачивание грунтов влекут за собой неравномерные просадки грунтов, осадки фундаментов зданий, которые по результатам инструментальных геодезических наблюдений в отдельных местах за время наблюдений достигли 1000 и более мм.

3. О ПРИЧИНАХ ПРОСАДОЧНОСТИ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ

Почему определенные виды глинистых грунтов обладают просадочностыо? Как известно, мнения по вопросу генезиса просадочности систематизируются в основном в две группы — сингенетические гипотезы и эпигенетические гипотезы. Простой и логически обоснованной представляется гипотеза Н.Я. Денисова о сингенетической просадочности грунтов, обусловленной их недоуплотненностью в ходе накопления толщ отложений. Позднее эта гипотеза подтверждена и принимается целым рядом учёных, занимающихся исследованиями просадочности лессовых грунтов (В.П.Ананьев, В.С.Бондаренко, Н.В.Воляник, О.Н.Ерёмина, Н.В.Коломийцев, В.И.Коробкин, В.А.Королёв, В.Т.Трофимов и др.). В то же время очевидным является и то, что одной недоуплотненности глинистых грунтов недостаточно для того, чтобы они были просадочными. О просадочности грунтов в классическом понятии можно говорить только в том случае, если они не только недоуплотнены, но и остаются в значительной мере недоувлажешшыми для данного давления в течении геологического времени.

Практически любые глинистые грунты при определенных давлениях (превышающих возможности набухания) имеют большую сжимаемость при большей влажности." Это означает, что глинистые грунты при указанных давлениях будут обладать разной сжимаемостью при естественной влажности и полном водонасшцении, что представляет механическую суть просадочности. Чем ниже естественная влажность глинистых грунтов, тем больше будет разница между сжимаемостью их при естественной влажности и при полном водонасыщении. Но большинство глинистых грунтов имеют естественную влажность даже в зоне аэрации близкую к влажности водонасыщения при замачивании, поэтому разница в сжимаемости их при естественной влажности и при полном водонасыщении невелика и составляет величину относительной просадочности менее предела 0,01, по которому условно, определениями ГОСТа и нормативных докумнтов оценивается просадочность. Эти грунты классифицируются как непросадочные. Мы говорим о просадочности лессовых грунтов как о характерном их качестве, потому что из глинистых отложений только лессовые грунты обладают способностью существовать в зоне аэрации с очень низкими влажнос'тями (0,08 — 0,12), которые обеспечивают большую

разницу в сжимаемости естественно влажных и водонасьиценных грунтов даже на глубинах, превышающих 20, 30, а иногда 40 м и более, где мы имеем при замачивании значительные просадки грунтов под действием их собственного веса. Если учесть, что низкая влажность массивов лессовых грунтов в зоне аэрации является настолько характерной для них, что считается классификационным признаком и сохраняется в разрезе в течении геологического времени, 'го можно говорить о низкой влажности не как о состоянии, а как о их свойстве.

Особый гранулометрический " состав, агрегированность, высокая пористость и макропористость обеспечивают хорошую "вентилируемость" толщ лессовых грунтов. Существенную роль в этом процессе играют макропоры, образуя систему миниатюрных "вытяжных труб", по которым постоянно происходит интенсивная циркуляция воздуха за счет разницы температур и давлений в вертикальном направлении.

Таким образом, одной из главных'причин просадочности лессовых грунтов и консервации этого свойства на больших глубинах является их характерная способность существовать в отличие от других глинистых грунтов в значительно недоувлажненном состоянии, что обусловливает большую разницу в сжимаемости естественно влажного грунта и водонасыщенного, то есть просадочность.

4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСАДОЧНОСТИ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ. ПРЕДЛАГАЕМЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ФАКТИЧЕСКИХ ДАННЫХ И ПОЛУЧЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСАДОЧНОСТИ.

Для изучения степени изменчивости свойств просадочных пород в каждой точке опробования и влияния на нее метода отбора проб грунта в толще лессовых просадочных суглинков были пройдены шурф—дудка диаметром 1000 мм и шесть скважин, каждая из которых имела диаметр 146 мм, глубиной по 30 м. Скважины располагались вокруг шурфа на расстоянии 1—2 м. Из шурфа монолиты отбирались вручную (эталонный метод отбора) по три монолита на каждом метре, из скважин монолиты отбирались одноударным методом при помощи тонкостенного грунтоноса (цилиндрический нож) по одному монолиту на каждом метре, из каждой скважины. Таким образом, на каждом метре по глубине были получены по 6 определений характеристик просадочности и физических характеристик в шурфе (из каждого монолита 2 определения) и 6 определений этих характеристик на каждом метре по монолитам из скважин.

Обработка результатов лабораторных испытаний показала, что характеристики физических и просадочных свойств грунтов по монолитам из

скважин и шурфа имеют очень близкие значения. Но если величина изменчивости физических свойств не превышает требований ГОСТ 20522—75

для грунтов одного инженерно —геологического элемента, то относительная просадочность изменяется в очень широких пределах (табл. 1).

Таблица 1

Изменения физических и просадочных характеристик по толще лессовых суглинков

Стратнг рафнчс скис гориэон 1U Статист КЧСС кис характернее ки Шурф

О гпос. просадочность, &s[ приР, мПа Относ, нросадочнооъ Ejj при Р,мПа

W J", г/смЗ 0,1 0,2 0,3 W ft , г/см ОД 0,2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12

I А 0,13 1,47 0,0100,022 0,0310,048 0,0470,069 0,13 1,46 0,0030,027 0,0300,057 0,0580,077

V 0,17 0,030,05 0,621,08 0,460,76 0,280,65 0,16 0,021,70 0,0421,70 0,310,52 0,140,35

1Б А 0,17 1,35 0,026 0,044 0,048 0,14 1,41 0,021 0,057 0,074

V 0,05 0,07 0,08 0,0- 0,07 0,008- 0,33 0,015- 0,06 0,02 0,21 0,001- 0,28 0,002- 0,25 0,008-

2 и 3 А 0,16 1,49 0,013 0,044 0,048 0,15 1,47 0,011 0,045 0,061

V 0,06 0,015 0,05 0,54344 0,482,79 0,33 1,63 0,09 0,010,04 0,491,40 0,32140 0,150,88

Примечание: А — среднее арифметическое, V — коэффициент вариации,

— естественная влажность,

— плотность сухого грунта.

Как видно из таблицы, для относительной просадочности коэффициенты вариации V изменяются от 0,07 до 3,54, при этом наблюдается их уменьшение с увеличением давления.

Указанные колебания значений относительной просадочности не могут быть объяснены только изменением физических свойств грунтов, они связаны с их структурно — минералогическими особенностями, так как для образцов с идентичными физическими ' характеристиками .изменчивость просадочности продолжает оставаться высокой (табл. 2).

Таблица 2

Изменение Е^/ при одинаковой плотности и влажности.

Ko.'1-RO опредсл спим pj, г/см' W I, Нормативные значения величии относительной просадо'шости пол i!aippK2\!H в мПа, их срсдмеклалратичсскт: отклонения н кюффинпешы влрилшш

0,1 а V 0,2 0 V 0,3 CT} V

6 1,39 0,160,17 0,100,13 0,011 0,006 0,57 0,040 0,012 0,30 0,056 0,010 0,17

7 1,41 0,150,16 0,110,14 0,011 0,015 1,34 0,033 0,020 0,60 0,058 0,015 0,26

9 1,« 0,140,16 0,110,14 0,006 0,005 0,98 0,018 0,008 0,43 0,033 0,008 0,24

б 1,45 0,160,17 0,120,13 0,011 0,017 1,6 0,024 0,023 0,96 0,038 0,021 0,55

7 1,47 0,150,16 0,100,12 0,008 0,(1079 0,97 0,019 0,019 1,0 0,024 0,024 1,0

7 1,50 0,160,17 0,100,14 0,004 0,0038 0,86 0,016 0,009 ' 0,58 0,034 0,015 0,4.1

Примечание : а — среднее квадратичное отклонение, I р — число пластичности V, р^ , V/ — см. табл. 1.

По всем выработкам получена различная просадка грунта от собственного веса и мощность просадочных грунтов, хотя все они характеризуют практически одну и ту же точку опробования (табл. 3).

Таблица 3

Значения просадки грунта от собственного веса и мощность просадочных грунтов по всем выработкам

Покиа-тель Скважнна Шур<| >

504 ■505 506 507 508 509 средняя min так средняя

S , см 25,04 38,74 21,20 70,22 41,99 43,94 38,99 13,11 72,17 40,73

Н , м 29,3 30,0 23,4 28,1 29,3 30 28,3 24,5 30 28,5

Примечание: S sj — суммарная просадка толщи;

Н si — мощность просадочных грунтов.

Таким образом, вследствие изменчивости Es/ в одной и той же точке опробования даже по "эталонным" образцам из шурфа суммарная просадка Ssi колеблется от 13 до 72 см, при мощности просадочных грунтов Н соответственно 24,5 м и более 30 м.

Правильная и обоснованная интерпретация данных по просадочности имеет решающее значение в конечной оценке инженерно —геологических

условий территории распространения лессовых грунтов. В то же время, нормативные и методические документы по проектированию в своих требованиях "не учитывают полностью целый ряд специфических свойств лессовых грунтов, которые требуют особого подхода при интерпретации данных по их просадочности.

В соответствии со СНиП 2.02.01—83, 1.02.07 — 87 требуется в технических отчетах приводить нормативные и расчетные значения характеристик просадочности грунтов. Согласно п.'3.14'Пособия к СНиП 2.02.01—83, Гост 20.522 — 75 нормативные' значения определялись как среднеарифметические результатов, а их расчетные значения принимались с коэффициентом надежности по грунту, равным ' единице. Но, как известно, просадка проявляется только при замачивании, а замоченным может быть та часть здания, где мы имеем не средние величины относительной просадочности, а максимальные их значения. По нашему мнению, подтвержденному результатами исследований, для определения расчетных значений характеристик просадочности должен применяться метод статистической обработки частных значений, предусматривающий введение коэффициента надежности, зависящего от изменчивости характеристик, количества их определений и заданной доверительной вероятности по той же методике, которая предусматривалась ГОСТ 20522 — 75 д\я плотности грунтов, т.е А = А„/К,.; Кг = 1/1+ р, где А — расчетное значение, А» — нормативное значение, равное среднему арифметическому частных определений,Кг — коэффициент надежности по грунту, р — показатель точности оценки среднего значения (все обозначения из ГОСТ 20522 — 75).

По предложенной методике для каждой из глубин шурфа (1, 2, 3 м ..... 30

м) были определены расчетные значения величин относительной просадочности под бытовым давлением при доверительных вероятностях 0,85; 0,95; 0,99.

По полученным максимальным расчетным значениям ( р — со знаком плюс) относительной просадочности и фактическим данным была подсчитана суммарная просадка грунтов под бытовым давлением. Кроме того, была подсчитана суммарная просадка грунтов и по минимальным расчетным значениям относительной просадочности (р со знаком минус) при доверительной вероятности 0,99 (табл. 4).

Суммарная просадка грунтов (Б от собственного веса

_Таблица 4

Минимальная Максимальная Максимальная Средняя по фактическим данным

по расчетным значениям

1К) факт. Значениям но рас. знач. а =0,99 по факт, знач. По рас. знач а =0,99 при 01 = 0,95 при СС= 0,85

13 см 12 см 74 см 73 см 61см 54 см 41 см

Полученные результаты свидетельствуют о том, что минимальная и максимальная просадки грунтов от, собственного веса, фактически установленные в данной "точке", отражают 99%—е вероятностные пределы

случайного разброса частных величин. Таким образом, зная изменчивость величин относительной просадочности по глубинам, можно прогнозировать на том или ином объекте максимумы (либо минимумы) величин относительной просадочности, начального просадочного давления, суммарной просадки от собственного веса, мощности просадочной толщи при заданных доверительных вероятностях.

В тоже время видно, сколь существенно отличается нормативное (среднее значение), рекомендованное по существу в расчет по требованиям нормативных документов (41 см), от расчетных значений, полученных по предлагаемой нами методике (например а = 0,95 это 61 см, а при а =0,99 — 73 см).

Оценка площадной изменчивости просадочных свойств грунтов по серии скважин и прогнозирование гарантированных (расчетных) максимумов суммарной просадки от собственного веса, мощности просадочной толщи выполнены для территории проектируемого деревообрабатывающего корпуса 12 завода "Энергомаш".

Площадка имеет размеры 100 х 200 м и расположена в непосредственной близости от вышеописанного шурфа (рис. 5). Здесь в 1982 году по сетке 50 х 50 м были пробурены 11 технических скважин глубиной 46 — 53 м. Строение и состав лессовой толщи аналогичны вышеописанному и показаны на рис. 5. Опробование лессовых грунтов было выполнено в основном через 2 м по глубине. По скважинам были получены следующие характеристики (табл. 5).

Таблица 5

ЛгЛ» „У°Л? скважин Аосол. отметка )стья, М Мощность Суммарная просадка

|]/и Б.С. просадочной то.ицн, и тунгов от собственного

веса

1 2 3 4 5

1 82478 71,62 22,6 15,2

2 82480 72,73 265 16,5

3 82482 72,18 22,8 21,1

4 82484 71,50 25,7 40,8

5 82486 72,63 17,7 11,1

6 82488 72,09 21,7 17,1

7 82490 71,36 25,6 13,8

8 82492 72,38 29,2 30,0

9 82494 71,86 283 20,8

10 82496 71,35 24,6 15,2

11 82498 72,48 29,6 17,0

Из таблицы 5 видно, насколько изменчивы одни из основных показателей просадочности: суммарная просадка грунтов от собственного веса колеблется от 11,1 до 40,8 см при мощности просадочной толщи от 17,7 до 29,6 м.

7/7*9

С-ггно

, C-S2Í30

7/. se

C-S2Í83 ■ ■ 72.0S

C-S2492 72. зг

О

CS2 49 £

C-S349S

7/.

W-¿Z5/0 CS247S C'S24 8 2 С- $24S S C-S2424

1 1 30.0 1 se.o 1 76.0 ■ 1 76.0 1 SS.O 1

PncS~. Геолого-литологическмн разрез по'линии Я-Б масштабы: г-1:2ооо~ в-!:foo

Cxsmrрясположния еыряботок Ai-s / * 2ô00

- c#S/iwt///cr ее//о л/ер ^ccjí/t)

7/. 35- о ose. ОТ/*. 9С76Я t Q) - Ml/Prí j f¡—■—S -ланоэ розрезо

- погревены/е mvsi/ I ! Il - суглинки j?eccoäs/er/7/>ofo9ows/e sep^/jese^pnav/fá/e (У/?/,-/)

I i I ' 1 i I - cyoiuHMv лессоеодше)/грк>есгЗо'///г/е} //(/м/т/e-çcePue ve/77 -

eCjO/r/av/Ys/e (c/Q/+,/) . ; : ■ ¡ Y////i - суг/rü-HKс/ j7eccosc/d/f6/c^ /yerr^oc^a^ó/c,y/ewe--....... «'¿Wíw^CW íSG/+//) ' ~

EESSi - гт/шСаО/)-, 031т-псс*</(ФУ, ~ • ■

. - На данном объекте была смоделирована следующая ситуация: скважина 82484 с суммарной просадкой 40,8 см и скважина 82492 с суммарной просадкой 30 см на площадке условно не бурились; имеется только 9 скважин с суммарной просадкой от 11,1 до 21,1 см. Для данной модели поставлена задача: по величинам изменчивости относительной просадочности в серии из 9 "скважин рассчитать гарантированные максимумы суммарной просадки от собственного веса при доверительных вероятностях 0,85; 0,95; 0,99.

Площадная изменчивость физических свойств грунтов практически идентична изменчивости этих свойств в шурфе. Площадная же изменчивость величин относительной просадочности, как и по шурфу, значительно превышает площадную изменчивость физических свойств грунтов.

Гарантированные (расчетные) максимальные значения величин относительной просадочности (8под бытовым давлением определены при доверительных вероятностях 0,85; 0,95; 0,99 по серии из 9 скважин.

По этим результатам построены графики изменения по глубине относительной просадочности под бытовым давлением (рис. 6) и определена суммарная просадка грунтов от собственного веса по средним значениям и по значениям при доверительных вероятностях х 0,85; 0,95; 0,99 (Табл. 6).

Таким образом, гарантированные (расчетные) максимумы суммарной просадки от собственного веса в смоделированной ситуации по серии из 9 скважин практически совпали с фактическими по серии 11 скважин: 30,0 и 33,0 (при а = 0,95); 40,8 и 44 (при а = 0,99). Расчетные величины мощности просадочной толщи: при а = 0,85—27 м; при а = 0,95 — 28,4 м; при а = 0,99 — 29,4 м (фактическое колебание от 17,7 до 29,6 м, среднее — 22,7 м).

Таблица 6

Суммарная просадка грунтов от собственного веса (см) по серии из 9 скважин Суммарная просадка грунтов от собственного веса (см) по условно исключенным скважинам

по расчетным значениям при О.

по сред. Знач. Фактнч. Максимум а=0,85 а =0,95 а=0,99 С-82484 С-82492

15,0 21,1 20,0 33,0 44,0 40,8 30,0

Ям

2.0. 4.0. 6.0. 8.о. Ю.о. 12.0

• 16.0.

гол 22А ¿кЛ.

26.0-т.о. зо.о.

0.01

0.02

1

0.05

Рис Б. Графики изменения по '• ! шсинс относительной проел т Ло'шости ( Е 51) под. бы то ьи м ' Л Л Г, т.'ПИ <■ М л ЯЛ СП'МИ И} .7СКАЛ- | шин: !

' I

Г I

по ср(.-лн;1 м Значениям ^ -

по Значениям Г'^к -1'ОЛ5" I

т' !

ПО ЗНАЧЕНИЯМ При с/ "0.35"

,|?о знлченкям прис< -0.33

Исследования изменчивости характеристик просадочных лессовых грунтов и обоснование метода получения их расчетных значений показали следующее:

— лессовые грунты характеризуются высокой степенью изменчивости величин относительной просадочности, во много раз превышающей изменчивость их физических свойств;

— высокая степень изменчивости величин относительной просадоч — ности не может быть .объяснена только изменением физических свойств грунтов,"так как для образцов с идентичными физическими характеристиками изменчивость просадочности продолжает оставаться высокой;

— фактические минимумы и максимумы суммарной просадки грунтов от собственного веса отражают 99 % вероятностные пределы случайного разброса частных определений;

— простое усреднение характеристик просадочности может привести к грубым" просчетам в оценке инженерно — геологических условий строительства. Определение же расчетных величин путем введения коэффициента надежности по грунту, позволяет прогнозировать наиболее неблагоприятные условия строительства по просадочности, тем самым повышая эксплуатационную надежность сооружений.

Опыт инженерно— геологических изысканий в г. Волгодонске показал, что требуют некоторых уточнений и нормируемые методы расчета возможной суммарной просадки грунтов под действием их собственного веса, при расчете которой по требованию нормативных документов не суммируются возможные просадки слоев просадочных грунтов, имеющих под природным давлением величину относительной просадочности меньше 0,01, хотя они относятся к просадочным, так как при дополнительных давлениях их относительная просадочность становится больше 0,01. Это требование логически не обосновано, так как при просадке грунтов ее величина будет обусловлена уменьшением объема всей толщи, в том числе и слоев с относительной просадочностью меньше 0,01. Поэтому при расчете просадки следует суммировать просадки всех слоев просадочной толщи, в том числе и с относительной просадочностью меньше 0,01.

5. ОПРОБОВАНИЕ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ В СКВАЖИНАХ

Лессовые просадочные грунты обладают высокой пористостью, макропористостью и являются весьма чувствительными к уплотнению и другим нарушениям естественной структуры.

Характеристики просадочности, большинство из которых определяются лабораторно, чутко реагируют на малейшие нарушения естественной структуры грунта, особенно на уплотнение, при котором получаются заниженные значения величин относительной просадочности, возможной просадки под действием собственного веса и завышенные значения начального просадоЧного давления.

В таких условиях получение достоверных данных является серьезной проблемой, особенно при выполнении полевых работ и, в частности, опробования лессовых грунтов. Наиболее "стерильным" методом, с точки зрения сохранения естественной структуры лессовых просадочных грунтов при опробовании, является ручной отбор монолитов из шурфов, когда из зачищенной стенки шурфа вручную вырезается образец размером 20 х 20 см. В этом случае естественная структура грунта сохраняется полностью. Этот метод может являться эталонным.

Однако шурфы и ручной отбор монолитов являются трудоемкими- и дорогостоящими, применяются обычно в одном, двух местах на площадке изысканий для конкретных объектов и не превышают 20 % общего числа инженерно —геологических выработок с механическим опробованием, которыми являются скважины.

ГОСТ 12071 — 84 регламентирует отбор монолитов пылево—глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции из скважин с помощью только обуривающих грунтоносов, а это означает по существу, что отбор всех просадочных грунтов из скважин должен производиться только этим :пособом.

Работа обуривающими грунтоносами в Ростовской области показала, . что этот метод опробования лессовых просадочных грунтов имеет существенные недостатки, так как при отборе целого ряда разновидностей лессовых грунтов твердой и полутвердой консистенции не обеспечивается сохранность природной структуры, а грунтоносы в условиях полевых изыскательских работ выходят из строя.

Опыт автора при инженерно—геологических изысканиях на территориях с распространением просадочных грунтов в Ростовской области, Волгодонске, а также выполненные нами специальные исследования показали, что наиболее достоверные данные получаются при отборе монолитов из скважин одноударным способом (разовым ударом) с использованием тонкостенного грунтоноса и предварительной зачисткой забоя скважины до отбора монолита специальным тонкостенным буровым стаканом или грунтоносом.

Отбор монолитов обеспечивается путем сбрасывания в скважину на гросе ударной штанги с закрепленным на ней в ее' нижней части тонкостенным грунтоносом (цилиндрическим ножом).

Способ успешно применяется на грунтах с показателем текучести от 0,25 до -1.

Высокая скорость внедрения в грунт тонкостенного режущего пробоотборника обеспечивает максимальную сохранность естественной структуры высокопористых просадочных грунтов.

Так, сравнение данных по просадочности полученных в лаборатории на монолитах, отобранных из скважин одноударным способом и из шурфа ручным способом, которые пройдены практически в одной точке на одном ¡тз объектов Волгодонска, показывают высокую их сходимость (сравнивались возможные суммарные просадки грунтов от собстввенного веса, как

результирующие показатели просадочности). Возможная суммарная просадка грунтов от собственного веса по шурфу составляет 9,77 см, по скважине — 10,9 см.

Аналогичные данные получены при уже описанных в разделе 4 результатах опытно— экспериментальных исследованиях (таблицы 1, 3), где сравнивались средние значения плотности сухого грунта просадочной толщи, полученные в лаборатории на монолитах, отобранных ручным способом из шурфа (эталон) и из скважин одноударным способом, которые составляют соответственно 1,53 г/см3 и 1,55 г/см3. Эти данные показывают сходимость и подтверждают высокую сохранность естественной структуры грунта при отборе одноударным способом с использованием тонкостенного грунтоноса и предварительной зачисткой забоя скважины.

6. ПРОЦЕСС ПРОСАДКИ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ В МАССИВЕ.

ПРОГНОЗ ВОЗМОЖНОЙ ПРОСАДКИ ЛЕССОВЫХ ТОЛЩ НА ТЕРРИТОРИЯХ С ТЕХНОГЕННЫМ РЕЖИМОМ ГРУНТОВЫХ ВОД.

Территории с техногенными нарушениями режима подземных вод и влажности грунтов зоны аэрации требуют специального подхода к проведению инженерно —геологических изысканий. Это относится в первую очередь к застраиваемым территориям, где процесс подтопления незавершен, находится в динамике и характеризуется большой неравномерностью по площади.

Локальные скопления поверхностных вод в результате нарушения поверхностного стока на разрытых территориях, незавершенная планировка, утечки из водонесутцих коммуникаций и другие нарушения естественного баланса в период застройки формируют чрезвычайно изменчивый во времени и пространстве режим уровня грунтовых вод (УГВ) и влажности грунтов зоны аэрации. Так, например, по данным наблюдений за УГВ в г. Волгодонске, куполовидные подъемы УГВ высотой 2 — 4 м формировались в отдельных местах за 20—30 сут. Перепады отметок УГВ на расстоянии всего 120— 150 м достигали иногда 7 — 9 м.

Особое влияние эти процессы оказывают на инженерно — геологи— ческуго среду на территориях, сложенных лессовыми просадочными грунтами со вторым типом грунтовых условий по просадочности, когда возможны значительные просадки грунтов под действием их собственного веса.

При изысканиях в подобных условиях обеспечить объективную, достоверную информацию об инженерно —геологических условиях площадки будущего строительства становится серьезной проблемой.

Главную опасность представляет получение искаженных данных по оценке возможной просадки грунтов под действием их собственного веса. Нижняя часть толщи просадочных грунтов при подъеме УГВ водонасыщается полностью и при изысканиях, по определению действующих нормативных документов, представляется непросадочной, что подтверждают и

данные лабораторных исследований, так как полностью водонасыщенное в массиве грунты не могут и не должны давать дополнителыгую осадку при замачивании в лаборатории.

Так, в пределах контура одного из проектируемых сооружений в г. Волгодонске размером в плане 60 х 30 м, расположенного на "склоне" купола грунтовых_вод техногенного происхождения, УГВ по глубине изменялся от 16 до 23 м от дневной поверхности, мощность просадочной толщи — от 14,3 до 21,6 м, а возможная суммарная просадка грунтов под действием их собственного веса по данным лабораторных исследований, изменилась в результате неравномерного по площади обводнения от 9,6 до 38,2 см. Последняя величина также не является максимальной, так как уже ко времени изысканий и в этой части здания произошел подъем УГВ на 3 — 4 м по сравнению с естественным его положением.

Изучение просадочных свойств грунтов при обычных инженерно — геологических изысканиях в основном опираются на данные лабораторных испытаний, в меньшей степени штамповых испытаний, которые выполняются— в верхних частях просадочных толщ; реже используются данные опытных замачиваний котлованов и фактических деформаций зданий, показывающих, как правило, суммарные результаты просадки.

Весьма важным и интересным является изучение процесса просадки на разных глубинах толщи просадочных грунтов. Динамика процесса самоуплотнения толщ лессовых грунтов под действием собственного веса при их замачивании в техногенных условиях является недостаточно исследованной, в то время, как результаты ее изучения в значительной мере дополняют, а в отдельных случаях и существенно изменяют представления о просадочности лессовых грунтов.

Для изучения процесса просадки лессовых грунтов под действием собственного веса нами на разных гипсометрических уровнях в просадочной толще установлены 11 кустов разноглубинных марок без бокового трения, по которым в течении трех лет велись наблюдения за послойными просадками толщ лессовых грунтов на территориях с техногенным подъемом уровня подземных вод. Эксперимент проводшся в г. Волгодонске, в районе основного ключевого участка. Измерения осадок марок выполнялись нивелированием второго класса 1 раз в квартал верха марок с точностью ±1—2 мм. В качестве базовых для измерений принимались абсолютные отметки пятнадцати глубинных реперов, опирающихся на непросадочные палеогеновые глины, залегающие на глубине 50 — 60 м, и на неогеновые непросадочные отложения.. Стабильность положений базовых реперов периодически подтверждалась определением их взаимного положения в высотном отношении.

Автором анализировались данные наблюдений в течение всего времени их производства. Результаты этих работ по двум кустам, где подъем уровня подземных вод наибольший, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Результаты измерений осадок за 3 года наблюдений

Куст 1 Куст 3

Номер марки Глубина заложения, м осадка, мм Номер марки Глубина заложения, м осадка, мм

8 1,8 35,8 9 1,8 50,2

7 6,0 44,8 8 5,8 59,5

6 9,0 32,7 7 12,0 56,5

5 17,0- 9,4 6 19,0 34,1

5 22,0* 10,3

* — ниже осадок нет, марки в непросадочных грунтах.

До начала наблюдений уровень подземных вод располагался в нижней части толщи лессовых грунтов, в кусте 1 на глубине 22,0 м, в кусте 3 на глубине 25,3 м. Нижняя граница просадочной толщи находилась на 1,3 — 1,6 м выше уровня подземных вод. За время наблюдений уровень подземных вод поднялся в кусте 1 на 9,7 м, в кусте 3 на 6,4 м и в процесс просадки были вовлечены нижние 9 — 6 метровые толщи просадочных грунтов. Следует отметить, что техногенный подъем уровня подземных вод в данном районе весьма неравномерен, перепады его отметок на расстоянии 120— 150 м могут достигать 7 — 9 м. Из таблицы видно, что поверхностные марки (марка 8 в кусте 1 и марка 9 в кусте 3), которые должны показать суммарную .деформацию всей толщи, имеют осадки меньше, чем глубинные марки, опирающиеся на просадочные грунты на глубине 6 — 9 м. Поверхностные марки как бы отстают от нижележащих, и это отставание наблюдается уже в течение двух лет.

Результаты исследований позволяют сделать следующее заключение по данному разделу:

— при неравномерном подъеме уровня подземных вод и вызванных этим подъемом просадках грунта под действием его собственного веса, верхняя часть незамеченной просадочной толщи довольно длительное время может частично удерживать сама себя силами сцепления и внутреннего трения;

— давление вышележащих грунтов в этом случае не передается мгно — венно, адекватно произведению их мощности на объемный вес. Для передачи этого давления и полной стабилизации просадок требуется продолжительное время;

— между замоченными и верхними сухими грунтами может иметь

место зона отрыва или временного разуплотнения грунтов;

— если говорить только о природных давлениях, то лессовые проса — дочне грунты по отношению к процессу самоуплотнения могут существовать в трех состояниях; а) недоуплотненное состояние в понятии Н.Я. Денисова (процесс уплотнения остановлен силами сцепления упрочения); б) процесс уплотнения замоченных просадочных грунтов продолжается, но не завершен; в) процесс уплотнения замоченных просадочных грунтов завершен; плотность, силы трения и сцепления водонасьнценных грунтов приведены в равновесное состояние с давлением, соответствующим глубине их залегания. Первое а) и третье в) состояния характеризуются уравновешенностью сил и отсутствием движения частиц и агрегатов внутри грунта. Второе б) состояние является неустойчивым, процесс уплотнения идет. Время, в течение которого в этом состоянии могут находиться лессовые грунты, зависит от времени, необходимого на изменение положения частиц и агрегатов, а также от времени, которое потребуется на передачу полностью, соответствующего данной глубине природного давления. Это время будет меньшим при замачивании всей просадочной толщи сверху и большим — при замачивании просадочных грунтов снизу, в результате подъема уровня подземных вод. Продолжительность существования грунтов в этом неустойчивом состоянии при замачивании снизу может составлять годы;

— просадочные грунты, замоченные снизу в результате быстрого подъема вод, при лабораторных определениях относятся к непросадочным, так как при опробовании являются полностью водонасьиценными и сжимаемость их будет одинаковой при их естественной влажности и в водонасыщенном состоянии. В данном случае их естественная влажность соответствует полног,гу водонасыщению. Но при просадке грунтов под действием собственного веса протяженной во времени, в суммарную величину просадки войдет и величина осадки водонасьнценных грунтов, которые будут уплотняться и реализовывать свою просадку по мере передачи полного давления грунтов;

— на таких площадках возможно получение заниженных данных по характеристикам просадочности и в зоне аэрации за счет иногда временного или не характерного для всей площадки увеличения влажности просадоных грунтов в период их опробования. Неверная информация в этом случае может быть получена и по степени изменчивости сжимаемости просадочных грунтов (а=Е/Е5аО.

Эта величина на застраиваемых территориях может быть в значительной степени занижена:

— при изысканиях на подобных территориях целесообразно использо — вание ретроспективного метода оценки просадочности, выполненной до техногенных изменений. Анализ данных инженерно — геологических работ, выполненных при естественном режиме влажности грунтов и УПВ в исследуемом районе, позволит правильно оценить возможную суммарную просадку грунтов под действием собственного веса, другие характеристики просадочности, а также сжимаемость лессовых грунтов. Поэтому на новых, еще не застраиваемых территориях, в 'зонах распространения, просадочных

грунтов следует выполнять достаточно детальные инженерно— геологические изыскания до возникновения техногенных нарушений. Полученные результаты потребуются в последующем при ретроспективной оценке просадочности грунтов в период изысканий на площадках под отдельные здания и сооружения, как правило, проектируемых и строящихся уже при техногенно —нарушенном режиме влажности грунтов зоны аэрации и УПВ;

— интерпретацию данных по просадочности лессовых грунтов и ис — пользование этих данных при проектировании надо вести на основе не только лабораторных и полевых исследований, но и анализа всего """комплекса природных условий площадки и территории. Формальное использование при проектировании только величин, характеризующих просадочность, полученных в лабораториях и при опытных полевых исследованиях, влечет за собой' ошибки при проектировании и расчете деформаций зданий и сооружений. Учет взаимосвязи характерстик просадочности с физическими свойствами грунтов, а также анализ их изменений во времени, особенно при техногенных изменениях инженерно —геологической среды, являются неотъемлемыми условиями создания достоверной базы данных для проектирования и строительства на просадочных грунтах;

— требования нормативных документов должны учитывать процессы и являения, описанные в данном разделе.

7. К ВОПРОСУ ПРОГНОЗА ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД ПОД ВЛИЯНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

Методы прогноза возможных изменений уровенного режима грунтовых вод, которые рекомендованы рядом пособий и методических руководств в конечном счете представляют 2 группы:

1. Методы, основанные на гидродинамических расчетах по полученным опытным путем гидрогеологическим параметрам и характеристикам водоносного горизонта и его баланса.

2. Методы математического моделирования, в основу которого по существу положены также гидрогеологические, балансовые параметры и характеристики водоносного горизонта.

Определение целого ряда гидрогеологических характеристик, особенно связанных с изучением баланса грунтовых вод, является весьма трудоемким, дорогостоящим, требует ' продолжительного времени исследований, (организация балансовых участков, режимных наблюдений, кустовые опытно —фильтрационные работы).

Но даже при организации и выполнении этих работ достоверный прогноз с использованием указанных методов представляется весьма проблематичным.

Предположим, что есть объект, на котором решено проводить количественный прогноз изменения гидрогеологических условий. Терри —

тория нс застроена. Проводятся исследования, получены гидрогеологические параметры. Но сам прогноз необходим именно потому, что в процессе строительства и эксплуатации гидрогеологические параметры и следовательно условия будут изменяться. Это и является основной причиной нестабильного повышения или понижения уровня грунтовых вод. Малейшее изменение баланса влечет за собой изменение всех гидрогеологических параметров. Увеличивается инфильтрация, начинается подъем, подъем изменяет, уклон и характер гипсометрической поверхности водоносного горизонта, увеличиваются скорости ' фильтрации потока, развиваются суффозионные процессы, увеличиваются коэффициенты фильтрации, изменяется недостаток водонасыщения, изменяется степень фильтрационной анизотропии толщи и т.д. То есть параметры, которые входят в расчеты прогнозируемого положения уровня грунтовых вод в существующих методиках, сами являются непостоянными во времени, а главное это то, что закономерности их изменения, которые не известны, фактически ложатся в основу количественного прогноза.

Особо следует остановиться на величине дополнительной инфильтрации СУ/). Именно закономерности изменения этой величины по существу определяют закономерности изменения уровенного режима грунтовых вод во времени под действием техногенных факторов. Какой бы расчетный метод прогноза не был выбран, независимо от инструмента расчета, вопрос фактически сводится к определению закономерностей изменения во времени величины дополнительной инфильтрации. Эти закономерности остаются неизвестными, так как зависят от факторов, количественные характеристики которых будут формироваться качеством будущих строительства и эксплуатации территории.

Нами на участках, где уже произошел подъем УГВ, моделировались ретроспективные ситуации. Условный расчет производится в то время, когда. подъем УГВ еще происходил. Данные пробуренных в разное время инженерно — геологических скважин на хорошо изученной территории г. Ростова —на —Дону позволяли сделать подобный анализ.

Прогнозируемые положения УГВ, полученные рекомендованными методами гидродинамических расчетов, существенно отличались от тех, которые фактически занимали уровни в результате техногенных воздействий по истечении времени, на который составлялся прогноз. При этом прогноз давал заниженные положения уровней по сравнению с фактическими, а разница принципиально отражалась на принятии возможных проектных решений.

Почти двадцатилетний опыт прогнозирования техногенных измене — ний гидрогеологических условий на территории "Ростовской области и сравнения данных прогноза с фактической ситуацией по прошествии 10—15 лет эксплуатации территорий показывает, что наиболее реальным является прогноз по аналогии, применяемый достаточно успешно на территориях с хорошей гидрогеологической и инженерно —геологической изученностью.

Так, например, в г. Ростове —на—Дону, где имеется достаточно деталь—

ная инженерно—геологическая и гидрогеологическая изученность и данные (хотя и весьма неполные) об изменениях уровня грунтовых вод, успешно применяется метод аналогий. Гидрогеологические условия города представляют ряд типовых природных схем и сочетаний, по которым в большинстве случаев есть данные о режиме грунтовых вод за те, или иные (разные) отрезки времени.

Если аналогичная схема встречается в других частях города или области, используется метод аналогий.

Сравнение данных прогноза с фактическими изменениями уровенного режима, показывают, как правило, оправданность прогноза методом аналогий.

Таким образом при инженерно — геологических изысканиях для прог — ноза уровенного режима ГВ следует . шире применять метод гидрогеологической и техногенной аналогии с выбором аналога, где такой подъем уже идет. Аналог в этом случае рассматривается как естественный многолетний эксперимент, обобщающий все многообразие природных гидрогеологических и техногенных факторов, аккумулированных _ в показателях скорости подъема УГВ и ее изменения во времени.

ВЫВОДЫ

1. На урбанизированных территориях, сложенных лессовыми массивами, формируются чрезвычайно изменчивые во времени и пространстве природно — техногенные системы. Информация о динамике этих систем становится решающей в инженерно —геологической оценке территорий. В таких условиях сеть стационарных наблюдательных скважин должна стать неотъемлемой частью инженерных систем городов и других поселений.

На режим первого от дневной' поверхности водоносного горизонта и влажности лессовых грунтов зоны аэрации превалирующее влияние оказывают техногенные факторы.

2. На начальных этапах техногенеза, характеризующихся форсирован — ными, • но неравномерными по площади нарушениями естественного гидрогеологического режима, гипсометрическая поверхность грунтовых вод осложняется быстро формирующимися крутыми куполами. Растекание куполов после ликвидации источников дополнительной инфильтрации идёт несравненно мед\еннее, чем их формирование. Такой характер поведения гипсометрической поверхности вызван не только неравномерностью дополнительного" питания, но и . является следствием значительной фильтрационной анизотропии лессовых пород.

3. На первых стадиях нарушений естественного баланса в высшей степени изменчивым и неравномерным по площади становится и гидрохимический режим грунтовых вод. В зонах интенсивного, а иногда и залпового дополнительного питания (на вершинах куполов) повышение

минерализации ГВ за счёт растворения солей грунтов может компенсироваться водами источников дополнительного питания, которые на селитебных территориях являются более пресными, чем грунтовые. Между куполами и на их периферийных участках, где путь транспортировки уже значителен и где возникают стекания с нескольких куполов встречных потоков минерализация грунтовых вод растёт активней. В последствии за счёт всё большего растворения солей грунтов начинается" повыщение минерализации и на куполах.

При техногенном подъёме УГВ наблюдается явная общая тенденция к повышению степени сульфатной агрессивности.

4. Для прогноза уровенного режима грунтовых вод наряду с другими способами следует шире применять метод гидрогеологической и техногенной аналогии с выбором аналога, где подъём УГВ уже идёт. Аналог в этом случае представляется природным экспериментом, обобщающим всё многообразие природных гидрогеологических и техногенных факторов, аккумулированных в показателях скорости подъёма УГВ и её изменении во времени.

5. Одной.. из главных причин просадочности лессовых грунтов и консервации этого свойства на больших глубинах • является их характерная способность существовать в природных условиях с низкими влажкостямп в отличии от других глинистых грунтов, что обусловливает большую разницу в сжимаести между естественно влажным грунтом и водонасыщенным, т.е. просадочность.

С геоэкологической точки зрения просадки лессовых грунтов и вызванные ими деформации зданий и других строительных сооружений не только могут, но должны рассматриваться как реакция окружающей геологической среды на техногенные перегрузки.

6. Лессовые просадочные грунты в естественных режиме УГВ и влажности зоны аэрации обладают весьма высокой изменчивостью характеристик просадочности даже практически в одной точке массива лессовых грунтов. Эта изменчивость в десятки раз превышает вариантность физических характеристик грунтов в этой же точке. Простое усреднение характеристик просадочности при вычислении их расчетных значений при инженерно—геологических изысканиях может привести к серьезным ошибкам в оценке инженерно —геологических условий строительства. Методы вычисления расчетных значений характеристик просадочности должны в обязательном порядке предусматривать введение коэффициента надежности по грунту, зависящего от изменчивости характеристик просадочности, количества частных определений и заданной доверительной вероятности.

При прогнозе возможной просадки грунтов под действием собственного веса должны суммироваться просадки всех слоев просадочной толщи, в том числе, и слоев с относительной просадочностью под бытовым давлением менее 0,01.

7. На территориях с техногенным режимом УГВ и влажности грунтов зоны аэрации, сложенных - лессовыми массивами, • характеристики просалочностн грунтов становятся в значительной степени изменчивыми и во

времени. На таких территориях при инженерно — геологических изысканиях следует учитывать возможность наличия замоченных грунтов в нижних частях лессовых толщ, процесс самоуплотнения которых под давлением веса всей вышележащей толщи не завершён. В верхних частях лессовых толщ, где бытовое давление меньше начального просадочного, . в результате неравномерного увеличения влажности просадочных грунтов возможно получение искажённых (заниженных) значений относительной просадочности.

В подобных условиях., представляется целесообразным использовать ретроспективный метод оценки просадочности (по данным изысканий, выполненных до техногенных изменений). В связи с этим инженерно — геологические изыскания первых стадий, на новых, предназначенных для застройки территориях, должны быть достаточно детальными, обеспечивающими получение данных по просадочности в естественном режиме влажности и УГВ с их использованием в последующем при ретроспективном методе оценки.

8. Наиболее оптимальным методом опробования в скважинах лессовых грунтов с показателем текучести от 0.25 до — 1 является одноударный метод с применением тонкостенного заточенного грунтоноса (цилиндрического ножа). Специальные исследования показали, что этот метод обеспечивает сохранение структуры и влажности отбираемых грунтов.

9. Полная и достоверная информация об инженерно —геологических условиях территорий распространения лессовых массивов, правильный прогноз их изменений, обеспечивающие, реальную вероятностную оценку уровня природного риска в строительстве, возможны только при исследованиях и глубоком анализе всего комплекса взаимодействий природных характеристик территорий и техногенных изменений геологической среды. Необходимость решения этой задачи определяет спектр особенностей инженерно —геологических изысканий на таких территориях, который в свою очередь расширяется и изменяется по мере получения результатов новых научных исследований, дополняющих представления о массивах лессовых пород.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Опыт прогнозирования изменений гидрогеологических условий в Ростовском тресте инженерно — строительных изысканий. В сб. "Инженерно —строительные изыскания" №2 (45), п.о. "Стройизыскания" Госстроя РСФСР, г.Москва, 1979г., с.29-31.

2. Оценка просадочности лессовых пород для проектирования промыш — ленно—гражданского строительства. В сб. "Классификационные критерии разделения лессовых пород", Академия наук СССР, "Наука",.г.Москва, 1984 г., с.68—72 (Соавторы: В.Е.Литвинов, К.А.Меркулова).

3. Проблемы инженерно—геологических исследований на территориях с интенсивными техногенными изменениями уровня грунтовых вод и влажности грунтов зоны аэрации. Тр. Всесоюзного совещания "Процес — сы подтопления застроенных территорий грунтовыми водами (прогноз и защита)", г. Новосибирск, 1984 г., Часть II, с. 77 — 80.

4. Особенности инженерно—геологических изысканий дуя проектирования и строительства промышленных и гражданских объектов в г. Волгодонске. Тр. Всесоюзной конференции "Проектирование и строительство зданий и сооружений на просадочных грунтах", г. Москва, 1984 г., с. 13— 17.

5. Инженерные изыскания для строительства. Инженерно—геологические изыскания на просадочных грунтах. РСН —55 —85. — Республиканские строительные нормы. Официальное издание Госстроя РСФСР. Утверждены постановлением Госстроя РСФСР №85 от 23 декабря 1985 г. введены в действие с 1 июля 1986 г., г. Москва, 1986 г., 20 с. (Соавторы: В.И.Щербаков, А.И.Левкович, Н.И.Щульга, И.С.Захаров, Г.Д.Уранов,

, Т.А.Пашкевич, Я.Е.Шаевич, В.С.Быкова).

6. Рекомендации по уплотнению просадочных лессовых грунтов Ростов — ской области способом последовательного повышения динамических контактных давлений (ППКД). Рекомендации одобрены президиумом научно —технического совета Госстроя СССР, протокол №19 — 3 от 20 марта 1984 г. Ростовский инженерно — строительный институт, г. Ростов —на — Дону, 1986 г., 30 с. (Соавтторы: В.Д.Зотов, А.И.Семененко, И.В.Ананьев, Б.А.Гольдшляк. Ю.П.Кальнин, В.К.Хвичня).

7. Опыт треста "РостовДонТИСИЗ" по повышению качества инженерно — геологических изысканий на просадочных грунтах. Тр. Всероссийского совещания — семинара "Повышение качества инженерно — строительных изысканий на основе внедрения научно —технического прогресса, совершенствования форм и передового опыта", г. Красноярск, 1986 г., с.23 —26.

8. Выбор рациональных конструкций фундаментов для сельского строи — тельства в Ростовской области. Тр. Областной научно—технической конференции "Теория и практика сельского строительства. Реконструкция

технологий", г. Ростов— на —Дону, 1987 г., стр. 103— 106. (Соавторы: Я.Д.Гильман, Ю.В.Дежин, В.В.Лагутин).

9. О причинах просадочности и процессе просадки лессовых грунтов. Ж. Инженерная геология №6, 1988 г., с.40 —43.

10.Оползни на склонах лессовых .массивов, охваченных техногенным подтоплением. Тр. Всесоюзного научно—практического семинара "Проблемы экологии в инженерных изысканиях", г. Душанбе, 1990_г., с.72 —75.. (Соавторы: В.П.Ананьев, Н.В.Воляник, В.И.Рево).

11. Коллективная монография "Повышение надежности зданий и сооружений при строительстве на просадочных грунтах". Под ред. Госстроя РСФСР, 1993 г. Часть I, глава 2 (с.12-31); часть III, глава 2 раздел 2.4. (с.103 —105); часть П/, глава 1 раздел 1.1 (с.106— 119), глава 3, раздел 3.1 (с.147 —148).

12. Новые подходы к оценке опасности просадочных трансформаций урбанизированных территорий. Тр.Научной конференции "Новые идеи в инженерной геологии". Московский государственный университет. г.Москва, 1996 г., с.136- 137. (Соавтор Н.В.Воляник).

13. Руководство по процедуре действия в случае проявления неблагоприятных (опасных) геологических процессов (подтопления подземными водами, просадки, подработки, оползни и др.) и вызванных ими деформаций зданий и сооружений. Утверждено Администрацией Ростовской области, г. Ростов—на—Дону, 1996 г., 15 с.

Подписано в печать 30.10.97. Формат бОхБ+'Чб. Бумага офсетная № I. Печать офсетная. Объем 23 физ. п л., 2,5 уч-изд л. Тираж 100 экз Заказ 37-97. Тип. РГПУ.