Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка методики применения статического зондирования для оценки территорий со сложным инженерно-геологическими условиями

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики применения статического зондирования для оценки территорий со сложным инженерно-геологическими условиями"

МИНСТРОЙ РОССИИ

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

На правах рукописи

/Г

Радкевич Алексей Иванович

I .................

УДК 624.131.1

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦСНКИ ТЕРРИТОРИЙ СО СЛОЖНЫМИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ

УСЛОВИЯМИ

(специальность - 04.00.07 -Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1995

- г -

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательском, проектно-изыскательском и конструкторс-ко-технологическом институте оснований и подземных сооружений имени Н.М.Герсеванова.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, кандидат технических наук Б.И.Кулачкин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.С.Амарян. кандидат технических наук, профессор И.В.Дудлер.

Ведущая организация: ГШ Фундаментпроект.

Защита состоится "23 "Янбйря 1996г. в /3 часов на заседании специализированного совета К 033.11.01 в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Минстроя РФ по адресу: Окружной проезд д.18, ПНИИИС.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ПНИИИС.

«

Автореферат разослан "22 "<)е/<&$р£1995г.

Ученый секретарь

специализированного совета

О.П.Павлова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Строительство в сложных инженерно-геологических условиях в кратчайшие сроки, повышение качества и надежности инженерно-геологических и экологических изысканий, контроля качества строительных работ и экологические оценки в геотехнике является важной проблемой. Одним из перспективных направлений по решению этих задач является метод статического зондирования грунтов (СРТ). Однако традиционный метод СРТ с двумя параметрами зондирования (сопротивление грунта конусу зонда д3 и трение грунта на боковой поверхности муфты зонда Г3) - уже не может решить в полной мере поставленные задачи. поэтому во веем мире проводятся интенсивные исследования по расширению области применения СРТ, получению новой информации о составе и свойствах грунтов оснований сооружений, повышению точности и и увеличению количества параметров, получаемых при зондировании слабых грунтов.

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

- разработка методики статического зондирования слабых грунтов;

- разработка методики измерения порового давления в грунтовом массиве;

- исследование методики измерения температуры в грунтовом массиве;

- развитие технологии комбинированного зондирования;

- разработка аппаратурной базы для новых методик и технологий

статического зондирования;

- применение данных СРТ для оценки несущей способности полых металлических свай;

- применение СРТ в экологии, включая вопросы геоэкологии, строительной экологии и кадастра.

Цель работы заключается в повышении научно-технического уровня метода статического зондирования грунтов и увеличении его роли при инженерных изысканиях в сложных инженерно-геологических условиях, когда оценка территорий и определение физико-механических характе-

ристик иными способами существенно затруднены иди невозможны.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- исследованы зависимости ыелду ио^омехрамк статического зондирования и физико-механическими характеристиками слабых грунтов в диапазонах от 0,2 МПа до 1,0 МПа для сь и от Я кПа до О',"02 МПа для Га;

- изучены процессы релаксации норового давления в различных грунтах;

- разработа методика измерения температуры грунтов в условиях естественного залегания;

- оценена работа полых металлических свай по данным статического вондирования;

- открыто новое направление по использованию статического зондирования в экологии.

Практическая значимость работы. Большая часть исследований и результаты получении в процессе инженерно-геологических изысканий на площадке порта Салиф (Йемен). Эти работы были выполнены в рамках контракта с СоюзМорНИИПроект и стали исходными данными при проектировании и строительстве порта.

Разработана и эксплуатировалась в сложных климатических и инженерно- геологических условиях аппаратура, предназначенная для применения новых методик и технологии в статическом зондировании.

Экологическая часть работы выполнена в рамках "Комплексной межотраслевой программы организационного, научно-технического, методического и нормативного обеспечения инвентаризации земель городов . и других населенных пунктов России". В 1995г. начинается практическая реализация Федеральной целевой программы "Радон", в частности, при разработке методики оценки концентрации радиоактивного газа радона в основаниях вданий и сооружений. Методика исследований температуры мерзлых грунтов передана ЯкутТИСИЗу, который успешно проводит в настоящее время изыскания на вечномерзлых грунтах.

Апробация работы. Отдельные фрагменты и работа в целом неоднократно докладывались на НГС и семинарах СоюзМорНИИНроект, НИИОСП, СредАзНИПроЦветМет, ПНИИИС и др.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи и 2 на-

ходятся в печати.

Обь ем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Обшим обьем работы составляет У.^стр.

Завещаемые положения. На защиту автором выносятся следующие основные положения:

- результаты исследований слабых грунтов статическим зондированием с целью определения их характеристик;

- методика измерения порового давления в грунтовом массиве;

- методика измерения температуры в грунтовом массиве;

-.новое поколение аппаратуры для статического зондирования;

- расчет несущей ишьийяи^хи иишл металлических свай;

- новое направление по использованию зондирования в экологии.

Автор выражает благодарность пукгтопству и специалистам Ссюз-МорНИИПроект и А.О. "Мол" за помощь в организации и проведении работ в порту Салиф.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, определена 1ель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, а также научная новизна и практическая значимость диссертационной ра~ 5оты.

Особое внимание уделено состоянию исследований на момент начала забот по изысканиям на площадке порта Салиф. Негативный опыт инже-1ерно-геологических изысканий на территории порта, выполненных французской фирмой ВСЕОМ, строительства соляного причала (канадская фир-<а Swan Wooster Engineering'), аварийное состояние цементного силоса причина не установлена), расположенных в непосредственной близости )Т площадки порта, высокая сейсмичность (8 баллов), постоянно проиэ-юдимые взрывы на соляном карьере в 1,5км от порта, - все это вместе шятое предъявляло к изысканиям особо высокие требования. Кроме того >ыло принято решение строить порт по Российским нормам, однако, ау-¡иторами были французские специалисты, которые все соотносили также [ со своими нормами.

- б -

Первая глава диссертации имеет обзорный характер. Среди методов исследования грунтов зондирование, в частности статическое зондирование, имеет безусловный приоритет. Следует отметить, что все без исключения Президенты Международного общества по механике грунтов и фундаментостроению (^аРЕ), начиная от К.Терцаги и кончая нынешним Б.Яамиалковски, внесли существенный вклад в развитие метода зондирования*. Среди ведущих специалистов России следует назвать Л.С.Амаря-на, И.В.Дудлера, Т. А.Грязнова, Р.С.Зиангирова, Б.И.Кулачкина, Л.Г.Кушнира, Л. Г. Мариупольского, М.А.Минкина, В.Ф.Разоренова, А.Я.Рубинштейна, И.Б.Рыжкова, Ю.Г.Трофименкова, В.И.Ферронского и др., из зарубежных специалистов - Г.Санглера, Ван ден Берг, М.Баста-манте, Р.Кампанелла, Ж.Меергоф, А.Весич, Г.Балди, Б.Ладани, Х.Мор-генштерн и др.

Со времени появления так называемого голландского конуса в Европе в тридцатых годах зондирование, и в том числе статическое, претерпело существенные изменения. В начале было доминирующим направление - из одного параметра дэ или двух параметров чэ и Гэ извлечь как можно больше полезной итоджещпп (фиопчеиппс и механические свойства, несущая способность оснований, фундаментов). В последнее время данные классического зондирования испплъауют также для оценки процессов в грунтах (сжимаемость, разжижаемость). Однако, эти два параметра (Яэ и Г3 ) в принципе не могут одновременно иметь тесной связи со многими параметрами грунта. В сложных инженерно-геологических условиях статическое зондирование, - это порой единственный способ определения количественных характеристик грунтов. Одним из наиболее существенных достижений в данном случае являются методика определения коэффициента консолидации (6.5апе1ега1, 1968) и оценка разжижае-мости (Б.^оу, 1980) по данным зондирования.

Другим важным направлением зондирования является использование различного рода датчиков, сенсоров и получения на этой основе информации о составе и свойствах грунтов. Основными вехами в этом направлении можно назвать: зонд с радиоактивными изотопами (В.И.Ферронс-кий, 1969), зонд с датчиком порового давления - пьезоконус (0ео1есЬ, 1972), зонд с датчиком температуры (Б.И.Кулачкин, 1981). Только эти три решения позволили получить существенно новые данные о свойствах

* По количеству симпозиумов, проведенных по зондированию, и объёму публикаций зондирование уверенно занимает ведущее место.

грунтов и, что особенно взкно, дали более полное представление о состоянии грунтовых массивов. Это направление, как правило, основано на "продых" измерениях физических величин и не требует установления традиционных корреляционных езязей. На основе этих достижений была разработаны капиллярная модель грунта (Б.И.Кулачкин, 1980), установлено отступление от закона гидростатического давления в супесях, суглинках 'и глинах (В.и.Кулачкин, 1981), когда поровое давление в водонасьпценном грунтовом массиве может быть меньше, равно или больше гидростатического давления. '

Однако, какими бы ни были большими достижения в указанных направлений, традиционный метод имеет ограниченную область применения и глубина зондирования, как правило, не превышает 20м. Эта проблема, была решена (Б.И.Кулачкин, 1969), когда один из первых комплектов ПИКА был согласован с штатными буровыми установками. Таким образом, было положено начало новому методу - комбинированному зондированию. За рубежом (G.Huges, 1974) также стали использовать буровые установки для статического зондирования, однако, конструктивные решения оказались более сложными, затем Van den Berg (1981) разработал установку статического зондирования на баос хрелиъпш о' автомобиля "Мерседес" с небольшой буровой установкой, однако, в полной мере задача не была решена. Таким образом, метод комбинированного зондирования, т.е. статическое зондирование на основе бурения с использованием штатных буровых установок позволяет применять зондирование в любых, в том числе в сложных грунтовых условиях, увеличить глубину зондирования (60м, г.Волгодонск, 1982) и в ряде случаев получать дополнительную полезную информацию за счет деструктивного бурения (Р.С.Зи-ангиров, 1984).

Существенные изменения ва последние годы произошли также в конструкциях установок, но в особенности в аппаратуре статического зондирования. Основные конструктивные решения касались повышения надежности (герметизация зонда, увеличение прочности конструктивных элементов), расширения диапазонов измерений параметров, повышения точности и достоверности измерений, хранения и глубины обработки экспериментального материала на месте. Анализ опыта работы с различными модификациями аппаратуры статического зондирования показывает, что наиболее оптимальным является измерение и первичное преобразование информации в реальном масштабе времени с индикацией данных на дисплее и одновременной записью на твердых носителях. Хранение ин-

формации в энергонезависимых запоминающих устройствах предпочтительнее записи данных на бумажных носителях (в аналоговой или цифровой форме), так как при дальнейшей машинной обработке устраняются промежуточные операции, вносящие как объективные, так и субъективные погрешности и ошибки. Технические решения и разработки, используемые в аппаратуре, изготовленной НДООСП (комплект ПИКА-2Н, рис. 1), вывели качество работ

по статическому зондированию на уровень, позволяющий успешно конкурировать с зарубежными фирмами АР Van den Berg, Fugro , Geotech и др., применяющими аналогичную аппаратуру. Глубина обработки информации , осуществляемая на месте, является предметом исследований ряда фирм, в том числе и НИИ ОСП. На данный момент целесообразно выполнять определенные операции по обработке материалов на месте, например, расчленение геологического разреза, оценки несущей способности свай, с тем чтобы в процессе изысканий можно было использовать теорию планирования эксперимента или the Observational Method (метод наблюдений) (H.Morgenstern, 1994).

Совсем недавно начало развиваться новое направление - экология, вюючающзя в себя вопросы геоэкологии, строительной экологии и кадастра. НИИОСП и фирма АР Van den Berg ведут практически параллельные исследования по определению Ph, Redox-потенциала и тяжелых металлов. Эти исследования орнованы на технологии статического зондирования, конструктивно обеспечиваются путем размещения в зонде ионо-

Рис. 1. Комплект ПИКА-2Н.

селективных датчиков и реализуются при применении специальной методики испытаний.

Во второй главе приведены сведения по результатам разработки приборов, оборудования и методик исследования грунтов в сложных инженерно-геологических условиях. Особое внимание было уделено пошаге-нгаз чувствительности и расширению диапазона измерений традиционных параметров Яз. Гз- Эти технические решения были использованы при исследовании слабых грунтов (плов, водонасьпценных лессов, рыхлых во-донасыщенных песков), в том числе залегающих на большой глубине, когда качественный отбор проб грунтов практически невозможен, что исключает применение лабораторных испытании для определения механи-. ческих характеристик грунтов. Улучшение технологичности конструкции зонда, в том числе за счет термокомпенсации, уменьшения влияния вне-центренной нагрузки (перекосов), трения между отдельными узлами зонда дали возможность снизить порог измерения qэ до 0,2МПа и до 7КПа при основной погрешности не более ЭОХ. Конструктивные решения позволили добавить к традиционным параметрам д3 и Гэ параметр Гав (трение грунта на боковой поверхности муфты зонда при выдергивании).

Другим важным направлением являлась разработка аппаратуры для измерения порового давления и температуры грунтов в массиве. Если пьезоконусы достаточно хорошо известны за рубежом , то в России разработка пьезоконуса произведена впервые , при этом особое внимание уделялось техническим характеристикам и методу измерений. В результате исследований были реализованы два метода измерений: тензометри-ческий и струнный. Наибольшее практическое применение получила конструкция струнного датчика, суть которого заключается в измерении частоты колебания свободной струны в зависимости от ее натяжения. Анализ и исследования двух методов показали, что струнный датчик имеет одну особенность в отличие- и! ^изометрического, связанную с тем, что струнный датчик может измерять лишь дискретную полезную информацию, определяемую свойствами стоуны к возбудителя колебаний. Лотн тензометрическая конструкция датчика порового давления имеет меньшие габариты и более широкий динамический диапазон измерения, тем не менее на данный момент шире применяется струнный датчик. Что касается конструкции фильтра, полости мобилизации порового давления, жидкости, заполняющей эту полость и др., все эти вопросы решались с учетом зарубежного опыта.

Зонды с измерением температуры для инженерно-геологических изысканий мерзлых грунтов впервые разработаны НЙИОСП. Основными техническими решениями, заложенными в зонде, являются - энергетика самого датчика, его расположение и точность измерений. Поскольку измерение температуры в грунтовом массиве предполагает достаточно широкий ее диапазон измерения, особенно в мерзлых грунтах, то необходимо использовать активные датчики температуры, т.е. имеющие свой энергетический режим. Исследования показали, что на данный момент наиболее приемлемым оказался резистивный датчик температуры, основными параметрами которого являются: линейность характеристики, широкий диапазон и минимальная погрешность. Так удалось вполне надежно регистрировать изменения температуры на 0,05° С; диапазон определялся в зависимости от целей исследования; основная погрешность измерения не превышала 20%. Вторым по сложности вопросом является разработка регистрирующей аппаратуры, включая линию связи. Поскольку это измерительная аппаратура, предназначенная для работы в полевых условиях, вопросам помехозащищенности и воздействию тяжелых климатических условий уделялось особое внимание.

Измерение всех вышеназванных параметров осуществляется в цифровой форме в физических величинах, как в ручном, так и в автоматическом режиме. Это дает воможность опытному специалисту в процессе проведения инженерно-геологических изысканий или каких-либо контрольных испытаний в полной мере применять теорию планирования эксперимента. Всем вышеназванным требованиям отвечают модернизованные комплексы ПИКА-1Н (полевой измерительный комплект аппаратуры) для статического зондирования, а затем и ПИКА-2Н. В настоящее время обработка результатов, полевых испытаний ведется по различным программам на персональных компьютерах. В связи с этим встал вопрос о том, каким образом упорядочить процесс накопления, хранения и обработки информации. Была разработана аппаратура, в которой параллельно с цифровой индикацией осуществлялась запись данных в блок памяти на твердых' носителях, информация в котором адаптирована с входными устройствами компьютера. Эта задача решена в комплекте "Мизонд". Более глубокая обработка экспериментального материала на месте возможна с помощью стандартных технических средств, например компьютера типа "Notebook".

Выполнены необходимые, конструкторские работы по согласованию комплектов 1ШКА-1Н, ПИКА-2Н и др. с буровыми установками УГБ-50М,

- и -

УГБ-1ВС, ПБУ-i и др. Суть конструкторских согласований сводилась к тому, чтобы не нарушая штатной технологии бурения, не снижая технических характеристик буровых установок, обеспечить стандартный режим погружения зонда, в необходимых случаях повысить усилие погружения силовой гидравлической системы, обеспечить автономное питание аппаратуры, и. самое главное, обеспечить возможность производства бурения, и зондирования в одном технологическом цикле, в случае необходимости в пределах одной зондировочной или буровой скважины. В качестве примера следует привести конструкторские разработки к установкам УГБ-50М и ПБУ-1. Установка УГБ-50М снабжена двумя дополнительными силовыми гидроцилиндрами, что позволило увеличить усилие погружения до 100кН. Эти установки дают возможность использовать как стандартные штанги 36мм, так и 42мм, при использовании уширителя, что существенно повышает устойчивость колонны штанг. Центрирующее устройство, расположенное практически у устья зондировочной скважины, позволяет уменьшить отклонение зонда от вертикали.

Конструкторские разработки, определяющие экологические аспекты настоящей работы, были связаны с разработкой макета прибора "Радон", позволяющего определить концентрацию радиоактивного радон в грунтовых массивах и основаниях сооружений. Конструкция определяется следующим положением: если в грунте есть локальные скопления газа радон, то концентрация "in situ" многократно превышает его содержание в приповерхностных слоях грунта и на поверхности. В полости зонда размещен торцевой датчик типа ДКПс, регистрирующий попадания «-частиц, что позволяет определять активность .радона в исследуемом в окрестности зонда объёме грунта. Технология и методика измерения основана на статическом зондировании и той технологической базе, которая широко применяется при инженерно-геологических изысканиях. Конструкторские разработки в первую очередь были направлены на защиту детек-' торов от механическил повреждений, ьеронхность которых возрастает при естественной смене среды опробывания в процессе погружения зонда. Сейчас эти работы координируются в определённой степени с фирмой АР Van den Berg.

Последние разработки связаны с оценкой концентрации тяжелых металлов, содержания нефтепродуктов, определения pH и Redox-потенциала, также основанные на технологии и методике статического зондирования. В зонде в качестве датчиков используются ионоселективные электроды.

В третьей главе приведено общее геологическое строение региона порта Салиф (Йемен)*.

Аравийский полуостров находится в пределах современного тропического климатичесчкого пояса и характеризуется аридными условиями. В аридной области накапливаются сульфиды и хлориды, широким распространением пользуются терригенные образования различной размерности с высоким содержанием неустойчивых в зоне выветривания минералов. Этой области свойственен специфический набор фаций. В континентальных условиях формируются как элювиальные и делювиальные, так и про-лювиальные грубообломочные отложения. Редко встречаются пойменные, старичные и русловые фации. Морские бассейны, особенно мелководные заливы и континентальные водоемы, характеризуются повышенной соленостью и повышенной минерализацией (насыщены карбонатом кальция). В первом случае происходит формирование эвапоритов (каменная и калийная соль, гипс, ангидрит), а во втором - изв^стково-доломитовых осадков. Для тропического аридного климата характерны континентальная карбонатная и гипсовая красноцветная, эвапоритная, карбонат-но-сульфатная и зкстракарбонатная формации.

Континентальная красноцветная (карбонатная и гипсовая) формация состоит из терригенного полимиктового материала различной дисперс-тности, плохой окатанности и сортировки. Преобладают обломки пород и минералов неустойчивых к выветриванию, а цвет обусловлен присутствием большого количества окислов железа.

Карбонатно-сульфатная и эвапоритовая формации представляют собой мелководно-морские аналоги красноцветной континентальной.

В открытых морских бассейнах тропической зоны формировались осадки экстракарбонатной формации. Характерная черта данной формации - высокая концентрация карбонатного вещества. Преобладают хемогенные известняки и доломитово-известковистые осадки. Довольно часто могут встречатся органогенные и органогенно-обломочные известняки.

В геологическом отношении Аравийский полуостров находится в пределах одной из сравнительно некрупных литосферных плит Земли и в структурном плане относится к древней Аравийской платформе, характеризующейся двухэтажным строением, в котором породы осадочного чехла перекрывают породы древнего фундамента.

Горный хребет Джабель, протягивающийся в меридиан адьном направ-

* При составлении этой главы использовались материалы Ю.А.Свешникова.

лении в западной части полуострова, представляет собой выступ дори-фейского основания (фундамента) этой платформы. Породы фундамента древние, сильно дислоцированы и изменены в результате глубокого ди-намометаморфизма и зачастую прорваны более поздними палеозойскими и мезозойскими интрузиями.

К западу и востоку от хребта Джабель породы древнего фундамента перекрыты породами осадочного чехла. Мощность осадочного чехла увеличивается от горного хребта в сторону пустыни Тихама и Красного моря от десятков метров до первых сотен метров.

Насадки наиболее высоких гор хребта Джабель, а также их западные и восточные склоны образуют лавовые и базальтовые покровы молодого вулканизма, перекрывающие карбонатные и терригенные породы осадочного чехла. Ступенчатообразный ниспадающий характер лавовых покровов свидетельствует о неоднократном проявлении здесь вулканической деятельности в дочетвертичное и четвертичное время.

Впадина Красного моря достигает максимальной глубины более 2600м и в тектоническом плане представляет собой огромный грабен, который разделяет Аравийскую и Африканскую литосферные плиты и является тектоническим швом первого (планетарного) порядка. Дно грабена является рифтовой зоной межконтинентального типа, от которой происходит раздвижение плит со скоростью 1-1,5см в год. Перпендикулярно зоне рифта в земной коре также имеют место разломы и нарушения фундамента, вдоль которых в результате многократных подвижек заложились и сформировались долины (вади) широтного направления, осложняющие западный, более крутой, склон горной системы Джабель.

Тектонические разломы и нарушения глубокого проникновения являлись ранее и являются в настоящее Бремя путями внедрения магмы и местом локализации очагов древнего и молодого вулканизма. В районе хребта и западного склона горной системы Джабель мнбго действующих вулканов, цепочкой протянувшихся с севера на юг. Ассиметричный характер западного и восточного склонов горной системы Джабель и. следовательно, различные положения фундамента платформы и различные мощности перекрывающего его осадочного чехла на западе и востоке от хребта, объясняется эффектом, связанным с поддвигом морской коры Красного моря под континентальную кору Аравийского полуострова,который в тектоническом отношении представляет собой типичную зону краевого прогиба, разделяющую области земной коры,характеризующиеся разнонаправленными тектоническими движениями.

Краевые прогибы, формирующиеся в условиях лагун и мелководного моря тропического климата, характеризуются преобладанием и выдержанности в разрезе пород карбонатно-соленосных и терригенных-морских формаций, отличительной чертей образования которых служили длительность развития и медленная скорость прогибания. Для прогибов характерны скопления нефти и газа, а также проявления соляно-купольной тектоники.

Проявления соляно-купольной тектоники имеют место в прибрежной зоне Красного моря между Салифом и Ходейдой. В районе Салифа идет промышленная разработка каменной соли в карьере на куполе одного из диапиров. Не исключено, что остров Камаран и ряд других выступов побережья в этом районе также представляют собой надсолевые структуры, образованные куполообразным поднятием над ядром-штоком диапиров. Основной действующей силой, заставляющей соль двигаться вверх в форме штока, является давление огромной массы перекрывающих слоев, под воздействием которого соль выдавливается в полупластичном состоянии через наиболее ослабленные участки в залегающие выше породы.

История геологического развития побережья в районе Салифа в новейшее время обусловлена такой же палеогеографической и климатической обстановкой, которая была присуща региону и в более раннюю третичную эпоху.

В структурном отношении здесь выделяются два различных генетических комплекса пород и отложений. Один, предположительно неогенового возраста, представлен хемогенными образованиями из легко растворимых солей, другой четвертичного возраста состоит из терригенных осадков морского, континентального и смешанного происхождения. Хемо-генные породы представлены каменной солью и гипсом. Они образуют шток соляного диапира, динамика движения которого оценивается в масштабе геологического времени. Нс^Оилес дипамичным является центральное ядро диапира, медленнее поднимаются краевые части купола, где соль замещается в результате метосоматоза вторичным гипсом. Нижняя часть терригенной толщи, перекрывающая соль и гипс, имеет пест-роцветный облик, характеризующий ее как продукт денудации, сноса и аккумуляции осадков в условиях субазральной обстановки нижнего и среднего отделов четвертичного периода. Состав осадков пестроцветной толщи - от крупнообломочных до пелитовых. Глины толщи карбонатизиро-ваны и загипсованы в результате метосоматоза. Верхняя часть тожчи - терригенных осадков морского и смешанного происхождения представлена

глинистыми и песчанными отложениями. Эти осадки слаболитифицированы и датируются как голоценовые (современные), формировались в условиях морской трансгрессии, наступившей после последнего оледенения, при значительной карбонатизации материала осадконакопления.. Слаболитифи-цированные морские голоценовые отложения представлены илами и мягкими глинами, заполняют пер^углубления в размытой поверхности пород пестроцветной толщи. На разведанном участке наибольшей мощности они достигают там, где заполняют переуглубление до отметок минус 40-43м, зафиксированное геофизическим профилированием и бурением скважин в прибрежной зоне.

Глава четвертая посвящена разработке методик исследования свойств грунтовых массивов и физико-механических характеристик грунтов в сложных инженерно-геологических условиях. Трудности при исследовании грунтовых массивов в районе порта Салиф заключались в следующем: грунты региона практически не изучены; инженерно-геологические условия достаточно сложны; район имеет высокую сейсмичность (8 баллов). Поэтому исследования проводились по нескольким направлениям: -традиционный подход, заключающийся в установлении связей между параметрами зондирования и физико-механическими характеристиками на основе корреляционных связей, т.е. параллельные испытания зондированием и детальные лабораторные исследования, в частности, при расчленении геологического разреза, определении физико-механических свойств слоев грунтов ; - исследования по разработке методик измерения температуры и перового давления, электрозондирования и приповерхностной вибропенетрации. Методики измерения порового давления уже получили достаточно широкое развитие за рубежом (130РТ-1, 130РТ-2) и их разработка в основном была связана с адаптацией конструктивных особенностей приборов, а методика измерения температуры разрабатывалась-практически заново.

Все эти методические исследования стали возможны только благодаря высокоточной и чувствительной аппаратуре и новым техническим решениям.

Главным предметом исследования являлся вопрос литологического расчленения грунтового массива основания порта Салиф. Для этой цели параллельно с буровыми скважинами выполнялось статическое зондирование, рис.2. В процессе бурения отбирались пробы грунта и проводились лабораторные испытания. Расчленение массива грунтов выполняли на ос-

нове критерия (H.Begemann, 1965), уточненного критерия (Б.И.Кулач-кин, 1986) и лабораторных определении физических характеристик. Особенностью данных исследований явилось установление нового соотношения для илов 0,007<t<0,030 и пестроцветных глин 0,007<t<0,025, имеющих региональный характер. Физико-механические характеристики (Е, С, <t, II) песчаных, глинистых грунтов и илов по данным статического зондирования определялись на основе связи характеристик грунтов с традиционными параметрами зондирования q3 и f3 . Особенность методики состояла в том, что параметры зондирования q3 и f3 имели значение меньше,« чем значения параметров, определенных в отечественных и зарубежных нормах, указанных в научно-технической литературе, -а именно: q3 <1МПа, f3 <0,02МПа. Значения параметров q3 и f3 , полученные "in situ", сопоставлялись с результатами лабораторных испытаний и таким образом были получены статистические связи, которые позволили расширить диапазон минимальных значений, уже имеющих место зависимостей.

Важным разделом исследований на площадке порта Салиф стала разработка методики измерения порового давления в грунтах, поскольку площадка порта находится в зоне высокой сейсмичности. Известные методики измерения порового давления (R.Kampanella, 1982 и др.), несмотря на всевозможные технические ограничения и требования, которые выполнялись с особой тщательностью в процессе погружения конуса, не привели к желаемому результату. Была разработана методика измерения порового давления при остановке зонда на глубине измерения, т.е. стабилизированного порового давления, рис.2. В процессе погружения зонда яроисходят гидродинамические процессы, и, чтобы получить истинные значения, необходимо иметь выдержку во времени,, с тем, чтобы произошел процесс релаксации порового давлении, рис.З., который характеризует фильтрационные свойства грунтов. Процесс релаксации порового давления р описывается уравнением: -et

р=а е +ро,

где а - начальное значение избыточного (гидродинамического) порового давления при остановке зонда; е -коэффициент, зависящий от вида грунта, его проницаемости;

t - время;

Ро- равновесное значение порового давления.

.1.7* '

ЦАТА1 <2.09 93 .' '

Гточ к ¿¡Л ОН ¡Сир ОЦ' ЧЧ<! !!

Геолого-лгто-логическая колонка, номер ИГЭ

УДЗд)/ /

: из ■

.: \nipotpei цаГление' Р,- *ти .

• г.о| ■ !' ! : /у I ' ■; ; ; 1Ао

Р >>

о

м: ; Я'г

7«/» • I

Бнсромч^-'Ч'зиние ^o /.в 6о «О /00 120 1Й (■'

- ' , I I ; V.

' .. .17=«», М= «КГ..:

.. ; .'- В.! г ■

И

Р а>

г/

■ г;

■и- ее

LV.miiuE.ripu

В1>11Е(>ГЦВ»Н1ШЧ0И4Л

- -

|5|0си.«И

I статическое О ¿ондира&аиие

■ | .1 ■ . : : . • ; .. ,.|.У1г'лнЬ>|а СгЫигаЙР»«!«» ' М ем' У1Л1/Ч|ГЕЦ/| .

\>-

ы ■

■Г ; ';

г. Лиаграмма зондирования площадки порта Салиф с измерением параметров о», Ге> Р и скорости погружения вибропенетрометра V.

В результате исследований установлено, что время релаксации tj порового давления имеет следующие значения в различных грунтах: в песках 5 мин., в суглинках 40 мин. и глинах 420 мин. Исследования на площадке строительства показали,■ что отклонения значений порового давления от гидростатического не имеют места.

Наличие слабого слоя (на глубине порядка 20м, мощностью от 2м до 7м) в основании площадки порта потребовало оценки возможной осадки во времени. Для этой цели был определен коэффициент консолидации Cv по известному методу Тейлора (лабораторные испытания), а также методом статического зондирования (с учетом рекомендаций 6. Sangle-rat, 1965г),по формуле:

С =k a q3/ Те, ' где к - коэффициент фильтрации;

а - коэффициент, зависящий от вида грунта; q3- сопротивление грунта конусу зонда; ve- объемный вес воды.

Результаты определения коэффициента консолидации Cv по данным лабораторного анализа при двухсторонней фильтрации и по данным статического зондирования приведены в таблице.

Интерерным оказался вопрос распределения температур в объёме исследуемого грунтового массива как в аридной, так и в субарктической зоне. Методика измерения температуры мерзлых грунтов была ранее разработана для районов Читинской и Магаданской областей. Преимущества методики измерения температуры в процессе статического зондирования по сравнением с традиционными измерениями температуры в

№№ п/п Методика определения - Су Кол-во определений Пределч значений Су-, см2/с Нормативное ЗН. Су, см2/с х

ЛчС'СОП'^ОрНиь' ¡¡■¿ШТыШ но методу Тейлора 5 1,3х10~3- 1,54х10~3

Г: (0 . Пс результатам статического ¿сидирсва-ния А 2,5x10 -8,?5-<10-3 4,68хЮ"3

скважинах заключается в том, что отсутствует искусственная конвекция воздуха, измеряется температура грунта, а не воздуха, практически не

имеют места грашгапие эффекты. Существо методики намерения температур» при статическом зондировании на площадке порта Салиф заключалось г поя'/с.-'чгщ стабилизированного значения температуры в точке измерения, рис.4. Процесс релаксации температуры Т в грунтовом масси-I Т '"'С Глубина слой ИГЭ-Э;

I песок пшеватыя с ракушея.

С-42. О "! V карбонатный, з^соленый. рых-

лый, реже средней плотности. 33.5 "114 <<>.0.831.

'-мин.

й т~г~т

еу./мя релаксации

Рис

"',:.:срл.мма релаксации температуры в песчаном грунте.

се, характеризующиеся рассеянием тепла, выделившегося на зонде и в его скрес;;ости го время зондирования, описывается уравнением:

7 с е +То.

где с - значение избыточной температуры при остановке зонда; у - коэффициент, зависящий от вида грунта: t - время;

То- равновесное значение температуры грунта в измеряемся

точке

Результатом этих исследований явилось получение поля температур площадки порта.

Конструкция больверка порта Салиф предусматривала двухрядное расположение свай по всей его длине с целью повышения устойчивости и в тоже время эта конструкция служит основанием для подкрановых путей. По данным инженерных изысканий была определена глубина погружения свай равная 28-29м. Применялись полые круглые сваи ф820мм, толщина стенки h=10MM и длина 1-30м. Поскольку не были проведены статические испытания свай, расчет их несущей способности выполнялся по данным статического зондирования. Методика оценки несущей способности свои по данным динамических испытаний (ВСН 34/Х-78) дала неудовлетворительные результаты, поскольку не учитывала механизма работы свай; Fond-72 (Франция), исследования Hagenaar (1982), Angemeer (1973) также не могли быть в полной мере применены для оценки несущей способности полых металлических сваи. В связи с этим была разработана методика оценки несущей способности полых металлических свай по данным статического зондирования с учетом образования пробки, когда полая свая рассматривается как сплошная с закрытым концом.

Рассматривались экологические аспекты работы, в том числе радо-ноопасность, поскольку одна из "горячих" радоновых точек планеты находится недалеко от порта Салиф (Рамсер, Иран), проведена серия лабораторных исследований, разработан макет прибора "Радон".Суть методики измерения концентрации газа радон в грунте основана на использовании метода статического зондирования, однако, на площадке порта Салиф ее не удалось реализовать в полной мере.

В дополнение к этому проведены лабораторные исследования и макетирование зонда с использованием ионоселективных электродов по определению содержания тяжелых металлов, измерению рН и Redox-потенциала.

В пятой главе представлены результаты инженерно-геологические изыскания, произведенные на площадке порта Салиф. Работа выполнялась в два этапа в течение 1993 - 1994г.г.

На первом этапе выполнены следующие работы: - 16 буровых скважин глубиной от-32 до 35м; - 16 точек зондирования глубиной от 26.0 до 28,2м; - 8 точек виброзондирования поверхностных песков, рис.2., рис.5. ; - электрозондирование по линии кордона и на отдельных локальных участках.

На втором этапе выполнено три точки зондирования глубиной 29м и осуществлено погружение зонда поропьезометра в слой слабого грунта на глубину 23,3м.

Бурение скважин осуществлялось буровым станком ПБУ.-1, смонтированным на автомобиле ЗИЛ. Проходка скважин производилась комбинированным способом - по глинистым грунтам вращательной колонковой трубой. а по пескам использовался ударный способ с применением желонки. С целью закрепления стенок скважин использовались обсадные трубы диаметром 127мм и 168мм. При бурении отбирались пробы грунтов для последующих лабораторных испытаний. Лабораторные испытания выполнялись на компрессионных приборах при нагрузках от 0,025МПа до 0,1МПа для слабых грунтов и от 0,1МПа до 0,4МПа для глинистых грунтов. Сдвиг выполнялся методом консолидированного сдвига для песков и неконсолидированного дренированного сдвига для слабых глинистых и глинистых грунтов.

Комбинированное статическое зондирование осуществлялось станком ПБУ-1, оснащенным необходимым оборудованием и конструктивно согласованным с аппаратурой ПИКА. Поскольку на поверхности основания порта (особенно в районе больверка) залегает слой прочно сцементированного крупно- и среднезернистого песка мощностью 0,8 - 1,5м ((агаэа), который невозможно было пройти зондированием, применялось бурение, а затем выполнялось статическое зондирование. Статическое зондирование выполнялось с намерением параметров Цз и а также, в соответствии с программой изысканий, с измерением порового давления (р), рис.2, и температуры (1). рис.5.

На основании данных бурения и зондирования выделено 12 инженерно-геологических элементов ИГЭ. Для целей проектирования и строительства выделены 4 слоя, которые с точки зрения механических характеристик могут быть представлены интегральными характеристиками,' поскольку внутри них инженерно-геологические элементы переслаиваются между собой.

ИГЭ-1, ИГЭ-2, ИГЭ-3, ИГЭ-4 содержат пески от пылеватых до крупных с ракушей, от рыхлых до средней плотности. Нормативные значения модуля деформации Ен =13,5МПа и угла внутреннего трения фн=29°.

ИГЭ-ЗА - супесь серая, известковистая, текучая, реже пластичная с включением редкой ракуши, участками с прослоями пылеватого песка. Нормативное значение модуля дэформации Ен =12,0МПа и угла внутреннего трения <?я =28°. . .

ИГЭ-7 - глина и суглинок, реже супесь пластичная, текучепласти-

- -¿'¿ -

IVUOPMDf»

Цшш

I : .'..i

st

¡■эшр ЮТ

jî! Ч

V to m». г.г . it .

• <»■ SO «о--

*-темп«**1"?* • ' UiñimXupibtAtt . '

Ю »0 Jj ko 90 и 70 9,0

-Г Í \ гТ ' *! ' : — ■ • : 15 v* J -Щ- rr-í—Г-»- -Т4

' Г Пжл оыгны* /wsnr

СТОТИЧ«С*1»|

* *

(}.-• *»>»«. при ... bUtf-niUiMfc

----^''.Vlv.í-'

í.CW-.'«"O« .......

Лг «i.. км* <"■•• o"»» '^гН^г.....' :..*амш41№М.М .

.1 1. I..'. ; . У/l*i«*tfit«A/ -r - -L L-U . IÍC4«WÍ Uli iE.

rue.5. Фрагмент пссгсс-яия полл температур на плсшадке порт л Сл-лиф. л^гсаммсй «оилироьаны.

ные и мягкопластичные, темносерые, известковистые. с ракушей рассея-ной и в скоплениях. Нормативное значение модуля деформации Ен =5МПа, угол внутреннего трения ч>н =15° и сцепление Сн =0,022МПа. Грунты ИГЭ-5 (илы) и ИГЭ-7 являются единым генетическим типом в разрезе морских голоценовых отложений и по составу идентичны между собой.

ИГЭ-9 и ИГЭ-10 - глинистые грунты, характерна пестроцветная окраска, наличие тонких прослоев пнлеватого и мелкого песка, включения щебня гипса размером 5-7см до 10-20%. По консистенции от тугоплас-тичных до твердых, очень плотные. Нормативные значения модуля деформации Ен =42МПа, угла внутреннего трения <рн =28° и сцепления Сн=0,082МПа.

Поскольку ИГЭ-7 представляет собой наиболее слабое звено в основании, и может определять осадки при строительстве и после него, были выполнены исследования по определению коэффициента консолидации Сну лабораторным способом (метод Тейлора) и статическим зондированием. В результате получено нормативное значение Ску«2.69 10"3 см2/с.

Измерение порового давления выполнялось в 6 зондировочных скважинах, в каждой скважине произведено по ? измерений. Получено поле гюровых давлений. Каких-либо отклонений от гидростатического закона распределения порового давления не имеется.

Температура грунтового массива изучалась в 7, скважинах по 3 - 6 точкам в каждой скважине. Установлено, что минимальная температура грунта 32.8°С на глубинах й-б м. максимально определенная температура - 38,0°с на глубинах 26-27 м. Имеет место градиент температурного поля, направленный с моря на сушу и с поверхности в глубину.

Выполнено 30 точек динамического зондирования (специалистами СоюзМорНИМПроекта), максимальная глубина скважин около 20м. Какого- либэ практического результата к данным статического зондирования они не добавили.

На втором этапе выполнялись экспериментальные работы по оценке несущей способности полых металлических свай, расположенных в два ряда в больверке. Погружение зонда осуществлялось сваебойным агрегатом ]ипЬапп-ЭОШ. Для этой цели было изготовлено специальное оборудование и разработана методика зондирования. Все требования отечественного и международного стандартов по зондированию были выполнены. Всего выполнено три точки зондирования глубиной по 29м. Рассчитана несущая способность по данным зондирования. Несущая спосбность Гс1>2232кН с учетом сейсмики (8 баллов) Реч=1415кН.

В основание порта на глубину 23.3м был погружен зонд-порога езо-метр посредством вдавливания его копром Juntann-ЗОРМ. Разработана специальная методика измерения порового давления для исследования процесса консолидации основания порта при искусственной огрузке основания с регистрацией осадок и порового давления, рис.6. Наблюдения за семь месяцев не выявили каких-либо осадок в процессе огрузки, хотя теоретические расчеты показывают возможность проявления осадки до 40см в течение 3-х лет.

Предметом наблюдений являлась оценка влияния регулярных взрывов на Соляном карьере, расположенном вблизи от порта, на основание площадки порта и оценка этого влияния на физико-механические характеристики грунтов. Поровое давление, измеренное в основании порта при среднем взрыве ( 6.0кг экв. тротила), увеличивалось на 0,06 Вар.

На основе исследований Robertson P.K., Campanella R.G. (1985) и др. была дана оценка разжижаемости песков. Так при сейсмическом воздействии в 7 баллов произойдет разжижение песков основания порта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований по разработке методик применения статического зондирования для оценки территорий со сложными инженерно-геологическими условиями (на примере порта Салиф. Йемен) можно сделать следующие выводы:

1)разработано новое поколение аппаратуры для статического гон-дирования с повышенными характеристиками чувствительности по параметрам зондирования q3 <1МПа, f3 <20кПа, что дает возможность исследовать слабые грунты, когда отбор проб затруднен или невозможен;

2)разработаны технические решения аппаратуры статического зондирования, позволяющие измерять поровое давление и температуру с меньшими погрешностями и расширившие диапазон измерений; существенно усовершенствован процесс накопления, хранения и обработки данных;

3)выполнены исследования слабых грунтов статическим зондированием и др. методами, получены корреляционные связи между параметрами зондирования и характеристиками слабых грунтов, тем самым расширен диапазон определения характеристик слабых грунтов статическим зондированием;

4'разработаны методики измерения порового давления в грунтовых массивах, позволяющие определять стабилизированное поровое давление

-2ö-

3 »e

» « ç

»i г

4. > » s S

'S S rJ -í.

« a : «s

ir I L

Q t4

I ' IE

'S

<0 >.

a.

u о

•я

о

s s

3J

a ь

о &

о s

fl s

3

S

о

к

ja_X-

-

Ч

^ S ô ,

•М

а о с

к s

3

s

3

•J

о cC.

в любой точке массива и таким образом получить поле поровых давлений; поле поровых давлений в основании порта Салиф удовлетворяет закону гидростатики;

5)разработана методика измерения температуры грунтов, в том числе мерзлых; экспериментальными исследованиями на площадке порта Салиф получено скалярное поле температур; температурный градиент направлен с моря на сушу;

6)на основе исследований статическим зондированием слоя слабого грунта в основании порта Салиф и полученного значения коэффициента консолидации Cv разработана методика исследования и наблюдения процесса консолидации основания порта под действием временной искусственной нагрузки. В течение наблюдений каких-либо осадок, свидетельствующих о процессе консолидации основания, не обнаружено;

7)выполненнке теоретические, экспериментальные полевые и лабораторные исследования дают основание утверждать о перспективности использования статического зондирования для экологических оценок, включая вопросы геоэкологии {концентрация радона в грунтовых массивах) , строительной экологии (оценка процесса эманации радона из оснований сооружений, концентрация тяжелых металлов) и кадастра (рН и Redox-потенциал).

. СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Экологические проблемы радона в строительстве. "Основания, фундаменты и механика грунтов", N5, 1994. Соавторы: В.А.Ильичев, Б.И.Кулачкин, Л.Р.С'тавницер, В.И.Шейнин, Л.Г.Кушнир.

2. Ground Testings of Radon ai. <i 3ou¡ ce of Ecoky icai Dém^ei . Proc. of the First International Congress on Ertv i i oimvn* al o^oteeit-nics. Edmonton, Canada,1994. Соавторы: Б.И.Кулачкин. Ь.А.Ильич^ь. А.П. Ван ден Берг, В.И.Шейнин. Л.Р.Ставницер. В.С.Ямщиков.

3.Surveys. Designing'and Construction of the Poi t ot Salit. International Symposium on Cone Penetration Testing. i.mkopiri£. .Sweden. 1995. Соавторы: М.А.Троцкий. Б.И.Кулачкин. И.И.Шлякоь. И.Г.Шлх-гильдян.

4.Subdivision of Soil Massifs into Types ot Soils. Intel national Symposium on Cone Penetration Testing. Lirikopirig. 1995. Соавторы: .Б.И.Кулачкин, Н.П.Бетелев.