CC BY
107
Исследование свойств выветрелых Науки о земле
глинистых грунтов при оценке инженерно-геологических условий
Канделаки К.Г.
В настоящее время изучение различных свойств выветрелых горных пород и закономерностей размещения их в земной коре является важнейшей проблемой инженерной геологии. Для прогноза развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов, а также оценки устойчивости склонов и откосов выемок, необходимо детальное изучение процессов выветривания.
Цель работы — исследование свойств выветрелых глинистых грунтов при оценке инженерно-геологических условий.
Достижение поставленной цели сводилось к решению следующих задач: анализа инженерно-геологических условий изучаемой территории; изучения основных инженерно-геологических характеристик выветрелых глинистых грунтов; проведение количественной оценки местной устойчивости склона; расчет устойчивости склона; оценка инженерно-геологических условий участка исследований.
Объектом исследования является участок автомобильной дороги г. Майкоп — г. Туапсе, км 60+433
— км 61+550 в Апшеронском районе Краснодарского края.
Предметная область сводилась к анализу инженерно-геологических условий участка исследований.
Методически работа выполнялась путем анализа имеющейся и собранной информации, расчеты устойчивости склона выполнялись с помощью программного продукта вео81аЪ, входящего в комплекс программ Оео8ой, предназначенного для расчета различных видов подземных сооружений.
Научная новизна результатов работы заключается в анализе инженерно-геологических характеристик выветрелых глинистых грунтов, оценке инженерно-геологических условий участка исследований и применении современных численных средств для расчета устойчивости склона.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты данных исследований могут служить основой для принятия решений при проектировании оснований и фундаментов различных сооружений, а также строительстве на опасных участках.
В административном отношении участок работ находится в Краснодарском крае, Апшеронском районе г. Хады-женск. Здесь проходит автомобильная дорога г. Майкоп — г. Туапсе. Исследуемый участок располагается на км 60+433
— км 61+550 в автодороги г. Майкоп — г. Туапсе.
В геоморфологическом отношении участок работ относится к предгорьям Большого Кавказа. Участок характеризуется низкогорным эрозионно-денудационным рельефом, с прямым отражением моноклинальных структур и широким развитием процессов оползания, плоскостного смыва.
В соответствии с геологическим строением, до изученной глубины 25 м, принимают участие отложения олиго-цен-нижнемиоценового возраста, представленные глинами аргиллитоподобными и аргиллитами очень низкой прочности и оползневые отложения четвертичного возраста, представленные глинами. на изучаемой территории.
Геологические и инженерно-геологические процессы и явления на территории правого склона р. Хадажка (б. Радионова) с участком автодороги г. Майкоп - Хадыженск
— г. Туапсе км 60+433 — км 61+550 довольно разнообразны и являются типичными для мелкогорной части северного склона Большого Кавказа.
Действие гравитационных сил характеризуется проявлением и активизацией оползневых явлений. На террито-
рии склона активизация оползневых явлений проявляется в виде деформации, разрушения и смещение верхней части толщи отложений. Согласно карте ОСР-97-А участок расположен в восьмибалльной зоне.
Породы осадочного происхождения — континентальные малой и предельно малой степени литификации, с инженерно-геологической точки зрения, отличаются от других осадочных пород особым составом, свойствами и большой изменчивостью физического состояния.
Для элювиальных грунтов исследуемого района характерны следующие особенности:
1. При выветривании в элювиальных грунтах наблюдаются общее изменение свойств (разрыхление, размягчение, увеличение пористости, гидрофильности), а так же изменения внешнего облика, окраски, состава, состояния, текстуры (слоистости и сланцеватости). Физико-механические свойства данных грунтов практически идентичны, наблюдаются внешние изменения облика, элювиальные грунты ИГЭ-3а отличаются от нижележащих буро-коричневой окраской, текстурой — у грунтов ИГЭ-3 выражена слоистость, в грунтах ИГЭ-3а она отсутствует. Отсюда следует, что элювиальные грунты по своим свойствам обычно существенно отличаются от подстилающих их пород (рисунок 1).
Рисунок 1. Керн из скважины № 24
2. В климатических условиях, где испарение превышает количество выпадающих осадков, и породы в зоне выветривания промываются слабо, как правило, в элювиальных грунтах накапливаются водорастворимые простые соли и происходит засоление пород, что существенно изменяет их строительную оценку. По результатам химического анализа твердой среды (водной вытяжки) грунты ИГЭ-3а, ИГЭ-3 являются сильноагрессивными по отношению к бетонным и железобетонным конструкциям по содержанию сульфатов в пересчете на 802-4 для бетонов на портландцементе по ГОСТ 10178-76 (согласно таблице 4 СНиП 2.03.11-85).
3. В элювиальных грунтах наблюдается общее понижение концентрации водородных ионов рН, что приводит к возникновению кислой среды, вреднодействующей на металлические и бетонные части сооружений. Химический анализ твердой среды показал рН=4,4, следовательно, грунты находятся в кислой среде.
4. С элювиальной зоной часто связаны временные или постоянные горизонты грунтовых вод. Поэтому при ведении строительных работ, вскрытии котлованов с этим обстоятельством приходится считаться и предусматривать соответствующие мероприятия.
5. Вышеперечисленные признаки приводят к снижению прочности грунтов, т.е. грунты становятся не устойчивыми к физико-химическому выветриванию.
В результате протекания этих процессов изменяются состав, состояние, водно-физические свойства и прочность грунта. Вследствие чего, элювиальные грунты, залегающие на склонах, легко подвергаются различным деформациям под влиянием гравитационных сил - образованию обвалов, осыпей, оползней, сплывов и др. (рисунок 2).
Таблица 1. Оценка грунтовых условий по опасности возникновения нарушений местной устойчивости
Рисунок 2. Активный оползневой участок с разрушенной и деформированной подпорной стенкой
Количественную оценку местной устойчивости осуществляют для уточнения условий работы склонов, а также корректировки принятой конфигурации высоких (более 12 м) откосов насыпей и выемок [1].
Оползание поверхностного слоя чаще всего наблюдается в откосах, сложенных пылеватыми водонеустойчивыми глинистыми грунтами с числом пластичности менее 12 при увлажнении их атмосферными осадками. При малой толщине оползающего слоя (до 10-15 см) смещение его происходит, как правило, при переходе грунта в текучепластичное состояние.
Откос считается устойчивым, если
Г < Г + 0,75 Г, (1)
рас — р ' п 4 '
где ""рас - расчетная влажность грунта в поверхностном слое, %; ""р -влажность грунта на пределе раскатывания, %; "п — число пластичности грунта.
Подставляя значения в данное выражение следует, что откос является устойчивым к оползанию поверхностного слоя.
Образование сплывов наблюдается в тех случаях, когда в толще откоса имеется ослабленный прослой грунта, где сопротивление сдвигу Spw меньше сдвигающего усилия.
В предположении возможности смещения блоков грунта по поверхности ослабления оценка производится путем определения коэффициента местной устойчивости по формуле:
(2)
Местная устойчивость откосов считается обеспеченной, если K > 1,5.
Коэффициент местной устойчивости для данного откоса К=1,87, следовательно, местная устойчивость считается обеспеченной.
Степень устойчивости откоса к образованию пластических зон в откосе не рассчитывалась, т.к. значения определяются при расчетной влажности с учетом воздействия погодно-климатических факторов в образцов грунта в лабораторных условиях.
Таким образом, в данном районе исследований распространены слабонабухающие элювиальные глинистые грунты, твердой консистенции, петрографически они представлены глинами тяжелыми, которые при вскрытии откоса разуплотняются. В таблице 1 приведены оценка условий района исследований, а также характеристика условий и определяющие признаки.
Оценка условий Характеристика условий Определяющие признаки
количественные качественные
1 2 3 4
Малоопасные Слабонабухаю-щие глинистые грунты,твердой консистенции Тяжелые глины, разуплотняющиеся при вскрытии откоса
В малоопасных грунтовых условиях проектирование и возведение земляного полотна производят в соответствии с действующими нормативными документами.
Расчеты устойчивости склона были выполнены программой вео81аЪ, которая проводит расчет оценки общей устойчивости откосов или котлованов. Расчет коэффициента устойчивости был выполнен по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения с поиском минимального коэффициента устойчивости.
Выбор нормативного коэффициента устойчивости (коэффициента запаса) производился согласно ОДМ 218.2.0062010 и составляет при основном сочетании нагрузок - 1,20 [2].
Расчеты проводились в два этапа. На первом этапе для расчета устойчивости склона, задавались физико-механические свойства грунтов, схема сдвига для которых была «консолидированный сдвиг в водонасыщенном состоянии». В результате, на первом этапе расчета устойчивости склона в естественном состоянии, отложения склона являются устойчивыми, при учете сейсмического воздействия, склон также остается устойчивым.
Затем, на втором этапе, использовались те же значения свойств, только задавались значения сцепления и угла трения, определяемые по схеме «сдвиг по плоскости искусственно подготовленной» (сдвиг плашка по плашке).
На втором этапе, со значительно сниженными значениями сцепления и угла трения, склон является неустойчивым в естественном состоянии и с учетом сейсмичности района. Сводная таблица расчета устойчивости по каждому сечению приведена в таблице 2.
Таким образом, благодаря расчетам коэффициента устойчивости склона в программе вео81аЪ, можно сделать вывод об устойчивости склона естественном состоянии и при учете сейсмичности района. Однако, при сниженных значениях физико-механических свойств грунтов, склон является потенциально оползнеопасным.
Так как сейсмическое воздействие является одним из основных факторов, влияющих на устойчивость склона, то для данной территории с сейсмичностью в 8 баллов, склон переходит в неустойчивое состояние.
Из всех расчетных сечений, наименее устойчивым является сечение 7-7. Наиболее устойчивым является сечение 13-13, даже при сниженных значениях физико-механических свойств грунтов, склон остается устойчивым, однако, с учетом сейсмичности, устойчивость теряется.
В результате, на основании природных условий при проектировании участка автомобильной дороги для капитального ремонта и эксплуатации необходимо учитывать выше приведенные условия. С учетом степени влияния природных условий, необходимо разработать комплекс мероприятий инженерной защиты от опасных геологических процессов и явлений, обеспечить долгосрочность их на протяжении периода эксплуатации автодороги.
Науки о земле
Таблица 2. Сводная таблица результатов расчета устойчивости
Расчетное сечение Расчетное состояние Коэффициент устойчивости
Основное сочетание нагрузок
В естественном состоянии С учетом сейсмического воздействия
расчетный нормативный
Сдвиг консолидированный в водонасыщен-ном состоянии Сдвиг «плашка по плашке»
5-5 Естественное 2.516 1.09 1.200
С учетом сейсмичности 1.866 0.865
7-7 Естественное 1.483 0.656 1.200
С учетом сейсмичности 1.225 0.553
9-9 Естественное 2.378 1.086 1.200
С учетом сейсмичности 1.895 0.869
13-13 Естественное 3.553 1.329 1.200
С учетом сейсмичности 2.503 1.018
16-16 Естественное 2.217 0.949 1.200
С учетом сейсмичности 1.751 0.792
Список использованных источников
1. Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и выбору способов их укрепления в различных природных условиях. Москва, 1970.
2. ОДМ 218.2.006-2010. Рекомендации по расчету устойчивости оползнеопасных склонов (откосов) и определению оползневых давлений на инженерные сооружения автомобильных дорог. - М.: Федеральное дорожное агентство (Росавтодор), 2010.
