CC BY
68
УДК 624.131
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ТЕРРИТОРИИ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ Р. ТОМИ
Э.Ш. Абдель Азиз, В.Ю. Жабин, В.В. Крамаренко
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Приведены результаты лабораторных исследований состава и физических свойств грунтов территории нижнего течения р. Томи, проведена их классификация. На основе расчетов и согласно рекомендациям действующих нормативных документов выявлены специфические особенности грунтов: способность к набуханию, пучению и просадке, дан предварительный прогноз деформационных характеристик.
Ключевые слова:
Грунты, характеристики физических свойств, предварительный прогноз, набухание, морозное пучение, просадка идеформа-ционные характеристики. Key words:
Soil, characteristic of physical properties, preliminary forecast, swelling, frost heaving, subsiding and deformations characteristics.
Физические свойства грунтов являются важнейшим предметом инженерно-геологических исследований и необходимы как для общей инженерно-геологической характеристики территории строительства, так и для прогнозирования прочности (устойчивости) и деформируемости массивов грунтов, в том числе слагающих основания инженерных сооружений. В районе нижнего течения р. Томи уже проходили детальные исследования грунтов [1-3] и если территория г. Томска и прилегающие районы изучены довольно подробно с инженерно-геологических позиций, то малонаселенные районы области исследуются изыскательскими организациями конкретно под строительство определенных объектов. Целью данной работы является изучение состава и характеристик физических свойств грунтов неосвоенных районов нижнего течения р. Томи, выявление специфических грунтов и прогноз возможности развития инженерно-геологических процессов, таких как пучение, просадка, набухание.
Знание показателей физических свойств позволит на начальных этапах изысканий прогнозировать механические свойства, используемые в расчетах проектировщиков, т. к., согласно требованиям действующих нормативных документов [4], для предварительных расчетов оснований сооружений I и II уровней ответственности, а также для окончательных расчетов оснований сооружений III уровня ответственности и опор воздушных линий электропередачи, независимо от их уровня ответственности, допускается определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по таблицам нормативных документов в зависимости от их физических характеристик, а при соответствующем обосновании допускается использовать таблицы для окончательных расчетов сооружений II уровня ответственности (технически несложные сооружения, сооружения, малочувствительные к деформациям основания, и др.).
Задачи исследования включали определение
значений показателей состава и основных физических свойств грунтов, прогноз механических свойств и выявление специфических грунтов.
Для решения поставленных задач проводилось опробование неглубоких скважин, шурфов и обнажений на наиболее интересных с инженерно-геологической точки зрения участках, в основном, на территориях проявления экзогенных процессов. Были определены: гранулометрический состав песчаных грунтов, плотность р, плотность твердых частиц р, плотность скелета pd, влажность w, влажность на пределе раскатывания и текучести wL и wp глинистых грунтов, рассчитан коэффициент пористости е. Для торфов были определены такие показатели как зольность, ботанический состав и степень разложения.
Лабораторные работы проводились на основе действующих методик определения характеристик состава и физических свойств грунтов [5-9]. Выявление специфических грунтов на исследуемой территории велось при помощи следующих источников: относительная набухаемость и относительная проса-дочность под нагрузками определялись по таблицам для предварительных определений СП 11-105-97 [10] по значениям влажности, коэффициентов пористости и плотности скелета. Относительная деформация пучения глинистых грунтов е} определялась по значениям параметра R, который рассчитывается согласно требованиям рекомендаций [9], и эти значения можно использовать для расчетов сооружений III уровня ответственности. В зависимости от интенсивности пучения е} все пучинистые пьле-вато-глинистые грунты подразделяются по параметру Rf на пять групп. Принадлежность глинистого грунта к одной из групп оценивается параметром Rf, определяемым по формуле:
Rf =0,012( w - 0,1)+
w(w - wcr )2
где V - влажность в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующая природной влажности,
д. ед.; wcr - расчетная критическая влажность, ниже значения которой, прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте, д. ед. (определяется по графику в зависимости от зависимости от числа пластичности и влажности на пределе текучести wI); M0 - безразмерный коэффициент, равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению среднезимней температуры воздуха, принимается по СНиП 2.02.01-83.
Механические свойства торфяных грунтов оценивались по таблицам [11, 12], определение прочностных и деформационных характеристик песков и глинистых грунтов проводилось по таблицам СП 50-101-2004 [4]. Образцы глинистых грунтов были исследованы в лаборатории на возможность набухания по методике [14]. Полученные материалы стали основой базы данных, которая будет в дальнейшем пополняться.
Рисунок. Карта-схема района работ (автор В.Н. Сильвестров, 1997 г.): • - точки опробования
Исследуемая территория включает северную часть Обь-Томского и западную часть Томь-Чу-лымского междуречья (рисунок). Верхняя часть разреза представлена различными стратиграфо-ге-нетическими комплексами пород четвертичной системы. Условия их залегания, распространения, состав, состояние зависят от возраста и генезиса и, в целом, создают довольно разнородную картину. Опробование производилось в 23 точках исследуемой территории, всего было отобрано 146 образцов грунта из отложений четвертичного возраста: из пойменных (а]У), озерно-болотных (ЙТУ),
аллювиальных второй надпойменной террасы (а2]]]), а также из пайдугинской (а]]-IIIрё), федо-совской (1а]-]]/ё) и смирновской (1аЕ-1 smr) свит.
Маршрутные исследования, проведенные сотрудниками Томского политехнического университета, показали, что на территории нижнего течения р. Томи распространены такие экзогенные процессы, как оврагообразование и речная эрозия, оползневые процессы, а также процессы заболачивания, обусловленные влиянием подземных и поверхностных вод. Эрозионные процессы проявляются ограничено, в разных формах, и продолжаются не один десяток лет. Основными факторами, способствующими их развитию, являются: легкая размыва-емость рыхлых несвязных грунтов, наличие временных водотоков, уклоны водораздельных склонов более 7... 10°, удаление дерна и строительство редких грунтовых дорог, которые становятся непроезжими из-за многочисленных глубоких промоин. Согласно СНиП 22-01-95, экзогенные процессы не попадают в категорию опасных, тем не менее, по скорости развития овражной эрозии на отдельных участках, степень ее проявления можно отнести к умеренно опасной (1.5 м/год). Наиболее широкое развитие в поймах и на террасах правобережья получили процессы заболачивания и торфяные отложения, являющиеся слабыми специфическими грунтами. Большинство торфяных массивов относятся к переходному типу, в поймах и долинах рек чаще встречаются низинные болота. Верховые болота и участки с олиготрофными комплексами растительности встречаются значительно реже на террасах и водоразделах. Таким образом, болота в основном находятся на 1 и 2 стадиях развития и продолжают развиваться.
Озерно-болотные отложения (в]У) представлены, главным образом, торфяными грунтами всех типов, малозольными, степень разложения различная, в основном торфа среднеразложившиеся, сфагновые торфа чаще слаборазложившиеся. Результаты определения характеристик физических свойств показали, что значения влажности торфяных грунтов изменяются от 5,88 до 33,16 д. ед., среднее значение - 19,52 д. ед., если исключить максимальные значения, полученные для сфагновых залежей верховых болот, получится, что значения влажности изменяются от 5,88 до 19,45 д. ед., среднее значение - 8,66 д. ед. Эти данные наиболее характерны для торфяных грунтов на участках переходных и низинных типов залежи.
Таким образом, все образцы торфа относятся к очень влажным и избыточно влажным, следовательно, по прочности они относятся ко 2 и 3 строительным типам [12], т. е. при нагрузках от сооружений происходит частичное или полное выдавливание торфяных отложений под насыпью или фундаментом в зависимости от скорости нагружения. Нормативные значения коэффициента фильтрации торфа в естественном залегании предварительно определяются по степени разложения торфа по таблице СП 11-105-97 [10]. Удревесного торфа
Таблица. Характеристики физических свойств грунтов
Стратиграфо-генетический комплекс пород Название грунта Влажность, w, % Влажность на пределе текучести, М % Влажность на пределе раскатывания, мр, % Плотность, р, г/см3 Плотность твердых частиц, ps, г/см3
Озерно-болотные отложения (в!У) Торф 8,66 5,88...19,45 н/о н/о - 1,57 1,23.1,89
Аллювиальные отложения поймы (а!У) Супеси 18,20 13,4.22,50 27,62 26,62.28,62 21,15 19,90.22,15 - 2,60 2,53.2,73
Суглинки 27,60 20,90.31,60 31,60 30,57.34,85 22,2 20,80.23,37 - 2,63 2,53.2,71
Верхнечетвертичные аллювиальные отложения второй надпойменной террасы (а2!!!) Пески 6,03.38,0 н/о н/о - 2,53.2,69
Супеси 27,2 20,10.32,80 32,4 28,5...35,40 28,11 23,31.32,82 - 2,56 2,48.2,64
Суглинки 27,8 19,10.31,90 36,53 35,04.39,48 26,50 24,56.28,68 - 2,56 2,48.2,64
Средне-верхнечетвертичные отложения пайду-гинской свиты (!а!!-!!!р^ Пески 27,8 12,2.39,0 н/о н/о 1,55 1,41.1,69 2,61 2,52.2,67
Нижне-среднечетвертичные озерно-аллювиаль-ные отложения федосовской свиты (!а!-Ш) Пески 7,13 2,0.21,3 н/о н/о 1,58 1,22.1,93 2,60 2,53...2,65
Суглинки 12,3 9,36.16,4 33,29 30,51-38,10 24,04 23,19.25,42 1,38 1,15. 1,76 2,57 2,53.2,69
Эоплейстоцен-нижнечетвертичные озерно-аллюви-альные отложения смирновской свиты (!аЕ-!! Бтг) Суглинки 25,8 24,2. 25,90 26,60 26,57.27,62 17,90 17,56.19,25 1,70 1,66.1,74 24 2,29.2,46
Н/о - показатель для данного грунта не определяется; «-» характеристика не была определена в ходе исследований.
со степенью разложения 40 % коэффициент фильтрации - 0,002 м/сут, у торфяного очеса и у сфагнового торфа со степенью разложения до 20 % от 0,2 до 5,0 м/сут, у всех остальных видов со степенью разложения от 20 до 30 %, что наиболее типично для торфов района правобережья, - от 1,8 до 8,0 м/сут. Механические свойства торфяных грунтов предварительно можно оценить по классификации для дорожного строительства [12]. Торф очень влажный будет иметь модули деформации при нагрузках 49 и 98 кПа в интервалах, соответственно, 108...88 и 186...167 кПа, модуль осадки 400...470 и 500.550 мм/м. Торф избыточно влажный будет иметь модули деформации при нагрузках 49 и 98 кПа в интервалах, соответственно, 85.90 и 150.170 кПа, модули осадки 470.490 и 550.570 мм/м и выше.
Определив недренированную прочность cu торфов для исходной влажности (для очень влажного торфа cu равна 8.12 кПа и для избыточно-включенного - менее 8 кПа [12]), можно определить проходимость техники по классификации Л.С. Амаряна [13]. Условия проходимости торфяных залежей на площадках относятся к тяжелым и особым: в первом случае возможен проезд специальной болотной техники с удельным давлением на грунт менее 15 кПа; в особых условиях возможен проезд плавучей гусеничной техники или машин с арочными многокатковыми шинами, проезд обеспечен в зимнее время. Результаты полевого зондирования при помощи крыльчатки показали, что прочностные характеристики торфа низинных залежей изменяются от 7,1 до 44 кПа, максимальные значения получены в древесных торфах. В верховых торфах значения cu варьируют от 4,0 до 18,5 кПа. Следова-
тельно, прогноз cu по влажности дал несколько заниженные результаты.
Таким образом, к специфическим особенностям торфяных грунтов данной территории относятся: высокая пористость и влажность; малая прочность и большая сжимаемость (часто за счет разложения в зоне аэрации малоразложившихся торфяных и древесных торфов); высокая гидро-фильность (особенно для сфагновых торфов). Эти особенности позволяют оценивать рассматриваемые грунты как малопригодные для строительства.
Аллювиальные отложения пойм (а1¥) представлены в основном глинистыми грунтами. Супеси по показателю текучести твердые, по показателю Rf грунты относятся к слабопучинистым и практически непучинистым. Суглинки по показателю текучести твердые, туго-, мягкопластичные и текучие; по показателю Rf относятся к слабо- и средне-пучинистым до глубины 2,5 м, и к сильнопучини-стым на глубинах более 2,5.3 м (что менее опасно, так как глубина промерзания в районе работ приблизительно составляет 2,3.2,4 м).
Верхнечетвертичные аллювиальные отложения второй надпойменной террасы (а2Ш) сложены песчаными и глинистыми грунтами. Песчаные грунты представлены мелкими, средними и крупными разновидностями. Степень неоднородности гранулометрического состава варьирует от 2,0 до 3,2, следовательно, в основном грунты однородные. Супеси по показателю текучести твердые и пластичные, суглинки туго- и мягкопластичные. Исследованные глинистые грунты отложений второй террасы по показателям физических характеристик не относятся к просадочным. По показателю Rf грунты являются слабопучинистыми до глубины
1,0 м, на глубинах более 1,0 м грунты относятся к среднепучинистым, и даже к сильнопучинистым. Предварительный прогноз характеристик механических свойств показал что, глинистые отложения второй надпойменной террасы имеют модуль деформации - 250 кПа, угол внутреннего трения равен 23°, а сцепление - 34 кПа.
Средне-верхнечетвертичные отложения пайду-гинской свиты (¡а11-Шрф представлены песчаными грунтами средней крупности, плотность скелета грунта составляет 1,33...1,51 г/см3, в среднем -1,41 г/см3; по коэффициенту водонасыщения грунты являются в малой степени водонасыщенными (28,5...39,2, среднее значение - 34,2). Согласно ГОСТ 25100-95 [9], по показателям е и рй - это рыхлые разновидности грунтов, и в таком состоянии они неблагоприятны для строительства.
Нижне-среднечетвертичные озерно-аллювиальные отложения федосовской свиты (¡аЫЩ) представлены песчаными и глинистыми отложениями. Коэффициент пористости для них изменяется в диапазоне от 0,66 до 1,12 д. ед., среднее значение - 0,82 д. ед., плотность скелета грунта составляет 1,21.1,61 г/см3, среднее значение - 1,45. Песчаные отложения представлены крупными, средними и мелкими разновидностями. По кривым гранулометрического состава пески относятся к несортированным и сортированным разновидностям; по коэффициенту водо-насыщения - к разновидностям с малой степенью водонасыщения. Согласно ГОСТ 25100-95 [9], пески по показателям е и рй находятся в рыхлом состоянии и состоянии средней плотности и, следовательно, неблагоприятны для строительства. Для песчаных отложений федосовской свиты механические свойства предварительно характеризуются следующими величинами: модуль деформации имеет значения - 270.300 кПа, сцепление -1 кПа, угол внутреннего трения - 35.38°.
Суглинки по показателю текучести твердые, коэффициент пористости составляет 0,70.1,34 д. ед., среднее значение - 1,09 д. ед., плотность скелета грунта - 1,26.1,63 г/см3, среднее значение -1,37 г/см3; коэффициент водонасыщения -0,21.0,60 %, среднее значение - 0,31 %. По показателю Щ суглинки относятся к слабо- и среднепу-чинистым. При дополнительной нагрузке глинистые грунты в полученных интервалах значений влажности и коэффициентах пористости могут давать просадку: при 0,1 МПа относительная проса-дочность составит от 0,004 до 0,033 д. ед., при 0,2 МПа - от 0,008 до 0,066 д. ед., при 0,3 МПа -от 0,010 до 0,085 д. ед. Величина свободного набухания еш при полученных интервалах значений плотности скелета и влажности грунта до 12 % будет от 0,02 до 0,08 д. ед., т. е. глинистые грунты будут слабонабухающими.
Эоплейстоцен-нижнечетвертичные озерно-аллю-виальные отложения смирновской свиты (¡аЕ-1Ьтг) представлены суглинками текучепластичными. Значения коэффициента пористости изменяются в пределах от 0,68 до 0,85 д. ед., среднее значение
- 0,77 д. ед., плотность скелета грунта имеет значения 1,33... 1,42 г/см3, среднее значение - 1,36 г/см3. Степень водонасыщения для данных отложений составляет 0,76.0,85 д. ед. По показателю Щ грунты относятся к слабопучинистым. Предварительная оценка механических свойств глинистых отложений смирновской свиты показала, что модуль деформации отложений равен 170 кПа, угол внутреннего трения составляет 19°, а сцепление -25 кПа. При дополнительной нагрузке глинистые грунты при полученных значениях влажности и коэффициенте пористости 0,8.0,9 д. ед. могут давать просадку: при 0,1 МПа относительная про-садочность составит от 0,004 до 0,008 д. ед., при
0.2.МПа - от 0,008 до 0,017 д. ед., при 0,3 МПа -от 0,011 до 0,022 д. ед. При полученных интервалах значений плотности скелета и влажности (таблица) грунты не являются набухающими.
Все образцы глинистых грунтов были обследованы также на склонность к свободному набуханию согласно методике [14], в соответствии с которой сухой грунт в количестве 30 мг просеивается через сито 0,425 мм и затем засыпается в мерную колбу объемом 100 мл. Грунт заливается дистиллированной водой и тщательно перемешивается, чтобы не осталось пузырьков воздуха, после этого добавляется вода до 100 мл объема. Грунт выдерживается в течение суток при комнатной температуре, после чего определяется его объем после набухания. За конечный результат принимается среднее значение относительного изменения объема набухания грунта еш, выраженное в процентах, полученное в результате трех опытов.
По полученным результатам грунты согласно классификации [ 14] подразделяются на 3 группы:
1. еш<50 % - грунты не склонны к набуханию, и строительство сооружений на таких грунтах не вызовет проблем;
2. 50 %<еш<100 % - грунты относятся к набухающим, и при строительстве возможны проблемы;
3. еш>100 % - грунты являются чрезвычайно набухающими, и сооружения на таких грунтах подвержены риску серьезных деформаций. Данная методика позволяет оценить всю амплитуду набухания грунта и его склонность к усадке, начиная от его сухого состояния, а не от состояния природной влажности при отборе образца [15], которая в приповерхностных слоях изменяется с изменением уровней грунтовых вод и инфильтрацией осадков. В России есть аналогичные способы определения набухаемости грунтов, но они не являются обязательными. Результаты исследований показали, что средние величины свободного набухания, определенные по методике [14], для отложений поймы изменяются от 36,7 до 40,0 %, для глинистых отложений второй надпойменной террасы составляют 26,7.40,0 %, для отложений федосовской свиты значение величины свободного набухания составляет 26,7.73,3 %, отложения смирновской свиты имеют среднюю вели-
чину свободного набухания 70 %. Таким образом, максимальные значения показателей свободного набухания определены для глинистых отложений смирновской и федосовской свит (70,0 и 73,33 %), что позволяет отнести их к средненабухающим. Нужно отметить, что грунты смирновской толщи, согласно [9], были оценены как ненабухающие именно из-за их высокой естественной влажности, следовательно, при дегидратации грунта возможны также процессы усадки.
Выводы
Результаты исследований позволили дополнить новыми данными ранее проведенные работы, оценить состав и физические свойства грунтов территории нижнего течения р. Томи, выявили ряд осо-
бенностей исследованных грунтов, которые делают их неблагоприятными при использовании в качестве оснований сооружений. Анализ полученных данных показал, что к пучению склонны все глинистые грунты, к набуханию-усадке и просадке -отложения федосовской и смирновской свит, пески пайдугинской свиты относятся к рыхлым разновидностям, торфяные отложения характеризуются высокой влажностью и деформируемостью под нагрузками, низкой прочностью и являются труднопроходимыми для техники. Эти особенности позволяют оценить их как грунты специфические, что требует более детальных исследований при проведении изысканий, дополнительных расчетов при проектировании и соответствующих мероприятий при строительстве сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахмадшин Н.Ю., Бирюков В.Г., Горюхин Е.Я. Очерки истории работ Томской геологоразведочной экспедиции за 50 лет. -Томск: Изд-во ЦНТИ, 1999. - 64 с.
2. Строкова Л.А. Характеристики лессовых пород Томской области // Известия Томского политехнического университета. -2003. - Т. 306. - №6. - С. 32-35.
3. Крамаренко В.В., Емельянова Т.Я. Характеристика физических свойств верховых торфов Томской области // Вестник Томского государственного университета. - 2009. - № 322. -С. 265-272.
4. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.
5. ГОСТ 12536-79. Методы лабораторного определения гранулометрического и микроагрегатного состава.
6. ГОСТ 28245-89. Торф. Методы определения ботанического состава и степени разложения.
7. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
8. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.
9. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.
10. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов.
11. ВСН 29-85. Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах. - М.: Минсельстрой, 1985. - 28 с.
12. Пособие к СНиП 2.05.02-85 «Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах». -М., 2004.
13. Амарян Л.С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. -М.: Недра, 1990. - 220 с.
14. Египетский кодекс механики грунтов и фундаментов в разработке и реализации № 202. 2001 г. Научно-исследовательский центр для жилищного строительства.
15. ГОСТ 24143-80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки.
Поступила 15.03.2011 г.
