Инженерно-геологическая оценка грунтов в устьевой части долины Р. Тавла Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Маскайкин Виктор Николаевич

кандидат географических наук, доцент, кафедра физической и социально-экономической географии, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, г. Саранск.

mordrosgeo (шеи!.. ги

Белов Александр Алексеевич

кандидат географических наук, доцент, кафедра физической и социально-экономической географии, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, г. Саранск.

а1ех1Ье1@,таИ ги

Пятин Андрей Иванович

магистрант, географический факультет, Национальный

исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, г. Саранск.

УДК 699.82

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГРУНТОВ В УСТЬЕВОЙ ЧАСТИ ДОЛИНЫ р. ТАВЛА

Строительство инженерных сооружений требует предварительного изучения прочностных и деформационных свойств пород, на которых будет возведено проектируемое здание. Кроме того необходимо учитывать вероятное возникновение опасных для инженерных сооружений экзогенных процессов на участке отведенном под строительство. В статье на основе расчета инженерно-геологических параметров грунтов и анализа полученных результатов проводится оценка возможности закладки фундамента для жилого дома в устьевой части долины р. Тавла.

Ключевые слова: инженерно-геологическая оценка, строительство, грунты, процессы, отложения, пластичность, устойчивость, сооружения, фундамент.

Город Саранск не испытывает дефицита земельных площадей под жилищное строительство, и до применения современных технологий в строительстве для застройки использовались территории с более удобными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. Однако, положение долины р. Тавла в относительной близости от общегородской инфраструктуры, дешевизна земли вкупе с современными технологиями в строительстве, значительно сократили расходы, позволяют повысить устойчивость сооружений и освоить данную территорию для застройки.

Инженерные изыскания имеют большое значение для строительства. В результате их проведения специалисты получают сведения о характеристиках грунтов, а именно: влажность, показатель текучести, плотность грунта,

коэффициент пористости, удельное сцепление, угол внутреннего трения, модуль деформации, число пластичности, содержание органического вещества и т.д. В каждом отдельном случае перечень свойств интересующих специалистов может меняться. В зависимости от свойств грунтов выбираются оптимальные решения и строительные материалы [13].

В настоящее время территория, прилегающая к стадиону «Мордовия-Арена», в устьевой части долины р. Тавла, активно застраивается многоэтажными жилыми домами (рис.1).

Рис. 1. Космоснимок изучаемой территории по состоянию на 2016 г. [14] (1 - Контур

проектируемого здания)

По геологическому строению на исследуемой территории породы представлены преимущественно отложениями каменноугольного, юрского и мелового возраста, а также четвертичными образованиями [9,11].

Каменноугольные отложения представлены нижним, средним и верхним отделами. Юрские отложения представлены средним (байосский и батский ярусы) и верхним (келловейский, оксфордский, кимериджский и волжский ярусы) отделами. На территории г. Саранска развиты только нижнемеловые образования (валанжинский, готеривский, барремский, аптский и альбский ярусы).

Коренные породы почти повсеместно перекрываются четвертичными отложениями. Они представлены озерно-ледниковыми, аллювиально-флювиогляциальными, современными элювиально-делювиальными,

аллювиальными, оползневыми и техногенными отложениями. Перечисленные осадки имеют неоднородное распространение по территории.

В поймах рек Инсар, Саранка и Тавла залегают современные аллювиальные отложения, представленные тяжелыми суглинками мягкопластичной консистенции, зеленовато-серыми, черными, с включением растительных остатков. По коренным склонам Саранки и Тавлы встречаются

оползневые отложения, являющиеся перемещенной по склону массой элювиально-делювиальных отложений и насыпных грунтов. Широкое распространение на территории города имеют современные техногенные отложения различной мощности, в которых содержится строительный мусор.

Гидрогеологические условия изучаемого участка характеризуются наличием водоносного горизонта, приуроченного к четвертичным отложениям. Водоупор вскрыт на глубине 19,0-20,30 м, на отметках 111,63-113,00 м. и представлен полутвердыми глинами. Водоносный горизонт имеет свободную поверхность, безнапорный. По геологическим и гидрогеологическим условиям, исследуемая территория является потенциально подтопляемой [2,3].

Для долгосрочной эксплуатации инженерных сооружений проводится комплекс различных мероприятий, включая инженерно-геологические изыскания, предусматривающие изучение и анализ грунтов [1,4,6,10]. Важную роль в сроках эксплуатации сооружений играет анализ изучения различных экзогенных геологических процессов [5,7,8].

Оценка инженерно-геологических условий проводится на основе анализа геологического строения, которое характеризуется геологическими разрезами, проходящими в пределах контура здания, данными физико-механических свойств грунтов, а также значениями расчетных сопротивлений и модулем деформации грунтов, слагающих площадку. Без знаний о составе и свойствах грунтов невозможно построить устойчивую конструкцию здания.

На основании изучения данных буровых скважин и лабораторных исследований [12], нами построены инженерно-геологические разрезы и проведена инженерно-геологическая оценка грунтов под строительство жилого дома.

На рисунке 2 представлен разрез изучаемого участка. На нем выделены инженерно-геологические элементы в порядке, в котором они были вскрыты. Помимо этого на рисунке имеется информация о показателе текучести грунтов, об их удельном сопротивлении. При построении инженерно-геологических разрезов во всей вскрытой грунтовой толще выделены инженерно-геологические элементы (ИГЭ).

ИГЭ-1 - современные техногенные отложения, представлен насыпным грунтом: суглинок от полутвердой до мягкопластичной консистенции.

ИГЭ-2 - современные аллювиальные отложения, глина темно-серая текучепластичная легкая с тонкими прослоями и гнездами пылеватого песка, с включением растительных остатков.

ИГЭ-3 - погребенная почва, представленная легкой глиной темно-серого цвета тугопластичной консистенции с примесью растительных остатков.

ИГЭ-4 - глина темно-серая, серовато- коричневая тугопластичная с гнездами ожелезнения пылеватого песка.

ИГЭ-5 - суглинок серый, темно-серый текучепластичный легкий с тонкими прослоями и гнездами пылеватого песка.

ИГЭ-6 - песок серый средней крупности рыхлый кварцевый водонасыщенный с включением дресвы, гальки, гравия.

ИГЭ-7 - нижнемеловые отложения, К1 - глина темно-серая до черной полутвердая тяжелая.

У с л о в н ы е-

о Е. о з н □ и з н i ■ i я

Ксврёнённыё тр: :нсгённыр отлотрния

"tQ4 Ml

aQ4 <

Насыпной грунт! суглинок коричневыи, коричневато-серыи полутвердый, тугоплостичныи ■ до мягкопластичного, местами перемешанный с почвой, Отсыпан планомерно механически, неравномерно уплотненный,

Глина темно- серая до черной текучепластичная легкая с тонкиии прослояии 'пылеватого песка, с включением растительных остатков,

_ Погревенная почва! глина тугопластичная темно серая до черной тугопластичная с примесью растительных остатков,

_ Глина серая тугопластичная легкая с гнездами пылеватого песка, ожелезнения, с включением растительных остатков,

ж

Суглинок серый, темно- серый, серовато- коричневый текучепластичныи легкии с прослоями и гнездами пылеватого песка, с включением растительных остатков,

Песок серып среднею крнпностн рынлып ь:варце'бы171 водонасыщеннып г: вн:aihjце-н11еi■ i дресвы,

СОЛЬНЫ, 1ДЗБНЯ E¡ ПСДСЫВе СЛОЯ ГраВ|'1ПНО- ДРё-С:БЯНОП ГРУНТ НОЦНОСТЬЮ ДО 20сН

Гл1'1нё1 тенно-серая до цёрноп полятвердая тятелая

постсяннё грянтов

Глинистые грунты Песчаные грунты

по показателю текучести по степени влажности

полутвердые

тугапластичные

текучепластичные

водонасыценные

Цитологические границы слоя HLI,111 | | Ш.,57 — Слева-глнБ1'1на,[-ij справа-отнетка, и _____ Слевс]-гляБ1'1но зобоял-и

26,00 И 105,97 -5,00 _|

справа-отнетка зобоя, it Уровень грянтовы: вод

PPJ17 14 справа-вверия-отнсткан внизя-дата замера

Цнтологицрскнр гран|.'1цы

остановленные предполагаемые

Песен: по срансаетавя L - срёднёп кряпностн п о плотности слотення р -рЫНЛЫП

Мёсто атвора А - ОБразца песка и грунта на коррозию ■ - Монолита грянта т - Пробы воды Трофики статического зондирования

1 S 3 Pq3 ,МПа

ядёльнсё сопротнвленнр грянта под коннсон зонда, МПа

Рис. 2. Инженерно-геологический разрез по линии I-I (окончание)

Чтобы лучше понять особенности поведения грунта в тех или иных условиях, необходимо знать не только состав грунта и количество слагающих его ИГЭ, но и характер и условия взаимодействия всех фаз, определяющих свойства грунта. Поэтому одним из первых шагов инженерного подхода к прогнозу поведения грунта в той или иной обстановке является установление физических характеристик грунтов, которые могли бы быть использованы как показатели свойств ИГЭ. Нужно быть также хорошо знакомым с возможными пределами их изменения и представлять себе их инженерную значимость. Надежность грунта, особенно в качестве основания, опасно недооценивать, так как прочность почти всех строительных конструкций, находящихся под силовым воздействием, зависит от поддержки, обеспечиваемой грунтом.

Лабораторные исследования позволили выявить основные физико-механические свойства ИГЭ по следующим показателям: W - природная влажность, показатель текучести, р - плотность грунта, е - коэффициент пористости, С - удельное сцепление, ф - угол внутреннего трения, Е - модуль деформации, 1р - число пластичности, ^ - содержание органического вещества (таблица 1).

Таблица 1. Основные характеристики грунтов по ИГЭ [12]

характеристик а грунта Размерность Значение характеристик грунтов Принятые значения

£ з Л с от ей Ш Е & 2 & ч§ * Ч и Штамп[3] Статическо е зондирован СП 22 .13330.2011 табл. Б.2, 3, В.1 [7] нормативны е расчетные, при

а =0.85 а=0.95

ИГЭ-1 Насыпной грунт: суглинок мягко, туго, полутвердойконсистенции, tQ4

% 19-24 19-24

д.ед. 0,140,52 0,140,52

Е д.ед. 0,530,76 0,530,76

Р г/см 3 1,932,10 1,932,10

С кПа - - 22 - -

Ф град. - - 22 - -

Е МПа - - 12,0 - -

1р % 15-17 15-17

ИГЭ-2 Глина текучепластичная легкая, аQ4

% 41 41

1Ь д.ед. 0.84 0.84

Е д.ед. 1,05 1,05

Р г/см з 1,79 1,79 1.76 1.75

С кПа 21 29 - 21 19 17

Ф град. 9 19 - 9 8 7

Е МПа 1,44 - 6,0 - 6,50

1р % 17 17

Ь д.ед. 0,05 0,05

ИГЭ-3 Е огребенная почва: глина тугопластичная легкая, аQ4

W % 39 39

IL д.ед. 0,34 0,34

Е д.ед. 1,03 1,03

P г/см з 1,77 1,77 1,76 1,76

C кПа 32 31 - 32 29 27

Ф град. 16 20 - 16 15 14

E МПа 1,48 6,0 8,5 - 6,0

Ip % 23 23

Is д.ед. 0,07 0,07

И ГЭ-4 Глина тугопластичная легкая, аQ4

W % 36 36

IL д.ед. 0,35 0,35

Е д.ед. 0,95 0,95

P г/см 3 1,85 1,85 1,84 1,84

C кПа 37 33 37 37 33 30

Ф град. 14 20 14 14 14 13

E МПа 5 9,5 11,0 12,0 9,5

Ip % 24 24

Is д.ед. 0,045 0,045

ИГЭ -5 Суглинок текучепластичный легкий, aQ4

W % 29 29

IL д.ед. 0,82 0,82

Е д.ед. 0,78 0,78

P г/см 3 1,96 1,96 1,94 1,93

C кПа 16 21 - 16 14 12

Ф град. 11 22 - 11 8 6

E МПа 2,44 9,0 12,0 - 9,0

Ip % 12 12

Is д.ед. 0,03 0,03

И ГЭ-7 Глина полутвердая тяжелая, К1

% 33 33

д.ед. 0 0

д.ед. 0,88 0,88

г/см 3 1,92 1,92 1,90 1,90

кПа 88 34 - 88 82 78

град. 14 21 - 14 12 11

МПа 6,13 22,0 13,0 - 22,0

% 30 30

По результатам инженерно-геологических исследований, по удельному электрическому сопротивлению: к стальным конструкциям - высокая. По химическим анализам водных вытяжек: к свинцовой оболочке кабеля -средняя; к алюминиевой оболочке кабеля - средняя. Грунты по отношению к бетонным и железобетонным конструкциям, неагрессивные.

По данным химических анализов водная среда в скважинах неагрессивная по отношению к бетону марок W4; W6, W8, W10-12 по водонепроницаемости для сооружений, расположенных в грунтах с коэффициентом фильтрации свыше 0,1 м/сут. Степень агрессивного воздействия водной среды на арматуру железобетонных конструкций по водонепроницаемости не менее W6 при постоянном погружении и периодическом смачивании - неагрессивная.

Инженерно-геологическую оценку грунтов рассмотрим на примере проектирования фундамента одноэтажного частного дома на изучаемом участке со следующими характеристиками: вес здания - 130 т. (1300 кН); длина и ширина здания: 10*10 м.; = 20° С

1 ср. сут. в помещениях

ширина фундамента Ь = 0,5 м.; высота цоколя db= 0,75 м.; толщина стены 0,2 см. (брус);

уровень грунтовых вод dw = 4,8 м. от поверхности земли.

Для примера, рассчитаем глубину закладки фундамента для отапливаемого здания без подвала. Нормативная глубина сезонного

промерзания грунта ^Г™ , вычисляют по формуле: ?т= х '

где м = - 41.6 - коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год по метеостанции Саранск.

- величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м.

Так как глубина заложения подошвы фундамента должна назначаться не менее расчетной глубины промерзания, определяем глубину заложения фундамента df = 1.5м. Найдем величину df + 2 м = 1,5 + 2 = 3,5 м. Для рассматриваемого случая dw= 4,8 м >df + 2 м = 3,2 м. Для суглинка с показателем текучести >0 и dw >df +2 м глубина заложения подошвы фундамента должна назначаться не менее расчетной глубины промерзания. Следовательно, принимаем глубину заложения фундамента df = 1,5 м. Схема фундамента представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема фундамента [подготовлена авторами].

Расчеты проведены согласно СП 22.13330 - 2011. На основании их можно утверждать, что среднее давление под подошвой фундамента Р11с не превышает расчетное сопротивление грунта под основанием фундамента R (3,91 кПа < 346,19 кПа).

Принимая это во внимание, а так же то, что основание фундамента предполагается заложить ниже нормативной глубины сезонного промерзания грунта, можно утверждать, что данный фундамент в полной мере отвечает возложенным на него функциям с учетом специфики инженерно-геологических условий местности, а саму территорию, на данное время, возможно, использовать для строительства простых без затруднений.

Таким образом, для выбора строительной площадки, инженерной подготовки территории, фундамента, условий производства строительных работ, необходимо установить: особенности, формирования, залегания отдельных пластов грунтовой толщи, тип, вид и разновидность слагающих ее ИГЭ, наличие различных включений, уровень подземных вод и его колебание, их агрессивность, возраст и условия происхождения грунтов.

Вместе с тем, современные технологии позволяют не только повысить устойчивость сооружений, но и значительно сократить расходы при их возведении на малоблагоприятных для этого участках. Устьевая часть долины

р. Тавла относится к подобным участкам по геолого-геоморфологическим, гидрогеологическим и метеоклиматическим условиям.

Список использованных источников

1. Белов А. А. Изменение рельефа Мордовии под влиянием инженерной деятельности человека // Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-практ. Саранск, 2008. С. 440-446.

2. Белов А. А. Загрязнение подземных вод и природной среды в результате инженерной деятельности человека // Актуальные вопросы архитектуры и строительства : материалы тринадцатой Междунар. науч.-техн. конф. Саранск, 2014. С. 342-345.

3. Белов А. А. Влияние деятельности человека на гидрогеологические условия застроенных территорий // Актуальные вопросы архитектуры и строительства : материалы четырнадцатой Междунар. науч.-техн. конф. Саранск, 2015. С. 273-275.

4. Белов А. А., Маскайкин В. Н. Оценка изменения физико-механических свойств грунтов при подтоплении (на примере Республики Мордовия) // Научные труды SWorld. 2015. Т. 20, № 2 (39). С. 4-8.

5. Белов А. А., Маскайкин В. Н. Изучение плывунных процессов в горных породах (на примере Республики Мордовия) // Научные труды SWorld. 2014. Т. 33, № 4. С. 82-84.

6. Белов А. А., Маскайкин В. Н. Изучение последствий ухудшения несущих свойств горных пород // Научное обозрение : международный научно-практический журнал. 2016. № 1. С. 4.

7. Маскайкин В. Н., Белов А. А., Кирюшин А. В. Влияние климата на рельеф Мордовии // Научные труды SWorld. 2015. Т. 20, № 2(39). С. 44-48.

8. Маскайкин В. Н., Кирюшин А. В. Геоэкологическая устойчивость морфолитогенной основы территории Мордовии // Научные труды SWorld. 2014. Т. 17, № 2. С. 58-63.

9. Маскайкин В. Н., Рунков С. И. Палеогеографические особенности эволюции рельефа и осадконакопления на территории Мордовии. Саранск : 13 РУС, 2014. 200 с.

10. Масляев В. Н., Маскайкин В. Н. Ландшафтное планирование гидромелиорации на региональном уровне // Вестник Мордовского университета. 2005. Т. 15, № 3/4. С. 115-118.

11. Рунков С. И. Палеогеографические условия формирования неоплейстоценовых ледниковых отложений на территории Мордовии. Саранск : Референт, 2013. 120 с.

12. Технический отчет об инженерно-геологических изысканиях на объекте : Комплексная застройка многоэтажными жилыми домами на участке между ул. Волгоградская и автомобильной дорогой на с. Кочкурово (в районе реки Тавла) // ООО «Мордовский научно-производственный институт инженерных изысканий». Саранск. Ед. хр. 354.

13. Швецов Г. И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты : учеб. пособие для вузов. М. : Высшая школа, 1987. 296 с.

14. Google Earth 54.174705° с. ш. / 45.222735° в.д. 14.07.2016.

Victor Maskaykin

Doctor of Geography, associate professor, chair of physical and socioeconomic geography, N. P. Ogarev National Research Mordovian State University, Saransk

mordrosgeo @ mail.ru

Alexander Belov

Doctor of Geography, associate professor, chair of physical and socioeconomic geography, N. P. Ogarev National Research Mordovian State University, Saransk

alexlbel@mail. ru

Pyatin Andrey

Master, Faculty of Geography, N. P. Ogarev National Research Mordovian State University, Saransk

ENGINEERING AND GEOLOGICAL ESTIMATION OF SOILS IN THE VALLEY AT THE MOUTH OF THE RIVER TAVLA

Construction of engineering structures requires a preliminary study of strength and deformation properties of soils and rocks, on which is erected the projected building. Additionally it is needful to take into account the probable occurrence at the construction area of exogenous processes which are dangerous for buildings. Based on the calculation of geotechnical soils parameters and results analysis the article assesses the possibility of groundwork laying for a dwelling house in the Tavla river estuary.

Keywords: engineering and geological estimation, construction, soils, processes, deposits, plasticity, stability, structures, groundwork.