CC BY
51
3/2008_МГСУТНИК
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА СООРУЖЕНИЙ НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ В УСЛОВИЯХ ТАДЖИКИСТАНА
Р.А. Усманов
В республике Таджикистан лессовые породы занимают более 70% общей площади осваиваемых территорий и преимущественно распространены на межгорных равнинах и низких предгорьях. Основу народного хозяйства страны составляет аграрный сектор и развитие сельского хозяйства главным образом основывается на орошаемом земледелии, под которое выделено более 60% всех равнинных (осваиваемых) территорий. В период 1965.. .1990 годов в связи со значительным расширением площадей сельхозугодий (в основном хлопковых полей) в различных регионах страны были возведены и сданы в эксплуатацию большое количество ирригационных систем и широкая сеть оросительных каналов различного сечения. Результаты многолетнего опыта эксплуатации оросительных систем и сетей, интенсивного и бесконтрольного полива больших площадей показывают, что процесс обводнения и перехода лессовых грунтов в водонасыщенное состояние охватывает практически все орошаемые территории и представляет для республики Таджикистан «проблему века» (более 30% всех осваиваемых площадей представлены слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами).
Следует отметить, что условия обводнения и водонасыщения лессовых пород в республике Таджикистан имеют свои региональные особенности. Наличие естественных и строительство многочисленных искусственных водохранилищ и водоемов различного назначения оказывают мощный подпор грунтовым водам и, наряду с природными и техногенными факторами, интенсифицируют значительный подъем уровня подземных вод. Так, строительство Нурекского гидроузла и Байпазинской ГЭС с одноименными водохранилищами способствовали подпору грунтовых вод в Дангаринской и Яванской долинах. Аналогичная ситуация наблюдается и после строительства водхранилища Головной ГЭС вблизи областного центра г.Курган-Тюбе (зона влияния охватывает Вахшскую и часть Бешкентской долин), а также Каттасайского, Фархадского и Кайраккумского водохранилищ на севере республики (зона влияния которых охватывает почти все районы Согдийской области). При этом подпор грунтовых вод наблюдается на расстоянии в несколько десятков, а иногда и сотни километров от места расположения этих водохранилищ.
Результами многочисленных исследований было установлено, что ниже УПВ значение природной влажности грунтов Ж приближается к значению влажности на границе текучести Жь, а выше нее к значению влажности на границе раскатывания Жр. Степень влажности грунтов 8Г выше УПВ находится в пределах 8Г = 0,5 .0,8, а ниже в условиях полного водонасыщения 8Г = 0,95 .1,0. При этом подъем УПВ оказывает существенное влияние на изменение величины модуля деформации лессовых грунтов, ниже УПВ происходит уменьшение значения Е в 5...10 раз и, как правило, его величина не
ВЕСТНИК МГСУ.
превышает Е < 5,0 МПа. Выше УПВ также происходит уменьшение значения модуля деформации грунтов в 3...5 раза.
В целом, процесс обводнения и водонасыщения лессовых просадочных грунтов происходит под воздействием комплекса природных и техногенных факторов, основными из которых являются следующие:
1. Фильтрация атмосферных осадков. 2. Приток глубинных подземных вод. 3. Приток воды из напорных водоносных горизонтов. 4. Приток воды из больших гидроузлов, сети водохранилищ и водоемов мелиоративного назначения. 5. Фильтрация воды в результате интенсивного и бесконтрольного полива хлопковых полей и сельскохозяйственных угодий. 6. Фильтрация воды из оросительных сетей. 7. Фильтрация в результате утечки технологических и бытовых вод из различных коммуникаций. 8. Нарушение природного рельефа местности при его застройке. 9. Застройка и покрытие дневной поверхности (устройство асфальтовых и бетонных отмосток, тротуаров, автомобильных дорог и др.), нарушающие процессы тепло-, водо- и газообмена в зоне аэрации и т.д.
Первые три фактора относятся к природным, а остальные шесть к техногенным, которые в основном связаны с производственной и хозяйственной деятельностью людей. Среди техногенных факторов для незастроенных территорий определяющими являются фильтрационные потери из больших гидроузлов, водохранилищ, водонесущих систем и сетей, а также бесконтрольный полив сельхозугодий (зачастую их доля составляет более 50... 60% от общего объема), а для застроенных ко всем перечисленным факторам добавляется утечка воды из различных технологических и бытовых водопроводящих коммуникаций. На рис. 1 приведена гистограмма основных факторов обводнения на примере г.Явана. Во всех случаях определяющими факторами являются техногенные факторы (в т.ч. фильтрация из водонесущих каналов - 39и 34%, полив сельхозугодий - 17 и 19% и утечки из подземных коммуникаций - 8 и 18%), доля которых в совокупности составляет от 64 до 71%, а из природных факторов - атмосферные осадки (18 и 14%).
Рис. 1. Основные факторы обводнения и их соотношения для условий г.Явана: а- утечки из подземных коммуникаций; б- фильтрация поливных вод; в- подземный приток глубинных вод; г- фильтрация атмосферных вод; д- фильтрация воды из водонесущих каналов
По материалам изысканий на рис. 2 приведены гистограммы обводненных территорий плошадью 100.500 га с различной глубиной расположения уровня подземных вод от дневной поверхности.
Анализ материалов показал, что при обводнении и водонасыщении лессовых про-садочных грунтов происходят следующие процессы:
- наблюдается значительный подъем уровня подземных вод (УПВ) вплоть до дневной поверхности. При этом процесс обводнения и подтопления территорий занимает 6. 12 лет и происходит со скоростью 2.4 м / год. В большинстве случаев УПВ стаби-
ВЕСТНИК
.МГСУ
0-1 1-3 3-5 >5 0-1 1-3 3-5 >5 0-1 1-3 3-5 >5 0-1 1-3 3-5 >5 УПВ, м
Рис. 2. Соотношение площадей с различной глубиной залегания УПВ
лизируется и располагается на глубине Жь = 0.5 м (более 60% случаев) от дневной поверхности;
- ниже УПВ лессовые грунты переходят в категорию так называемых «слабых» и сильносжимаемых, со степенью влажности > 0,8 и по консистенции относятся к мяг-копластичным или текучим;
- при водонасыщении строительные свойства лессовых грунтов резко ухудшаются, расчетное сопротивление грунтов не превышает Я = 90.100 кПа, а модуль деформации составляет менее Е < 5,0 МПа;
- при обводнении лессовых грунтов их просадочные свойства ниже УПВ полностью ликвидируются, а выше УПВ иногда частично могут сохраниться;
- опыт эксплуатации зданий и сооружений на водонасыщенных лессовых грунтах показывает, что их осадки протекают в течение длительного времени;
- обводнение и переход грунтов в водонасыщенное состояние способствует повышению интенсивности сейсмического воздействия участков строительства на 1.2 балла, что приводит к существенному удорожанию строительства, в особенности когда строительная площадка относится к III категории (9 баллов) по СНиП 11-7-81.
На основании изучения строительных площадок, инженерно-геологических и гидрогеологических отчётов, проектных документов и существующей литературы автором были обобщены многочисленные материалы и предлагаются следующие схемы условия залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов в основании зданий и сооружений (рис.3).
Рис. 3. Условия залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов в основании
ВЕСТНИК
МГСУ.
При оценке строительных плошадок для устройства оснований и фундаментов определяющую роль играет условие залегания УПВ от поверхности. При этом в зависимости от глубины ее залегания основания сооружений можно разделить на два основных типа (рис. 4):
Тип 1. Основания могут быть представлены толщей слабых водонасыщенных лессовых грунтов, где УПВ находится на дневной поверхности или на небольшой глубине от неё (WL < 2 м), т.е в этом случае в качестве несущего слоя под фундаментом будут использованы слабые грунты (рис. 4а).
Тип 2. Основания могут быть представлены неоднородной толщей грунтов, где УПВ находится на глубине WL > 3 м от дневной поверхности, а верхний слой представлен неводонасыщенным, относительно прочным грунтом и возможно его использование в качестве несущего слоя (рис.4б).
Рис. 4. Типы оснований и фундаментов сооружений на слабых и неоднородных основаниях: 1- песчаные подушки; 2- свайные фундаменты; 3- песчаные сваи; 4 -известковые сваи; 5- вертикальные песчаные дрены; 6- неоднородные основания в условиях природного залегания; 7-водо-понижение; 8- фундаменты в вытрамбованных котлованах; 9- уплотнение или закрепление грунтов; 10- комбинировнные основания
Основания, сложенные слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами с высоким расположением УПВ используются очень редко (в основном для временных легковесных сооружений) и составляют менее 10% территорий. Для возведения капитальных сооружений они непригодны и требуют специальных методов подготовки оснований и устройства фундаментов.
Основания сложенные неоднородной толщей грунтов один из наиболее широко представленных условий образования и залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов в различных регионах республики. В зависимости от глубины залегания УПВ толщина верхнего относительно прочного неводонасыщеного слоя может составлять к = 3.5 м и более, при этом указанные площади составляют более 70% всех территорий распространения обводненных грунтов в республике Таджикистан и верхний слой мо-
3/2008_МГСУТНИК
жет быть использован в качестве несущего под фундаментами.
В настоящее время строительство и эксплуатация сооружений на слабых водонасы-щенных грунтах осуществляется по двум направлениям:
1. Применение мероприятий, повышающих несущую способность и уменьшающих возможные деформации основания (методы искусственного уплотнения, закрепления, усиления грунтов и т.д.).
2. Применение конструктивных мероприятий, приспосабливающих здание или сооружение к восприятию ожидаемых по расчету деформаций основания (увеличение жесткости здания путем разрезки на отдельные отсеки осадочными швами, устройство горизонтальных железобетонных поясов и перемычек, армирование кладки стен, устройство железобетонных сердечников и т.п.).
При этом мероприятия, уменьшающие возможные деформации оснований часто менее трудоемки и более экономичны по сравнению с конструктивными мероприятиями. В то же время, в сейсмически активных регионах республики практически все конструктивные мероприятия учитываются и выполняются с целью обеспечения сейсмоустойчивос-ти и сейсмозащиты зданий и сооружений. Поэтому во всех случаях, до начала строительства сооружений на слабых водонасыщенных грунтах, следует применить различные методы уплотнения и закрепления грунтов. Обобщение существующего опыта исследований, проектирования и строительства сооружений на слабых водонасыщенных грунтах показывает, что в этом направлении проведены достаточно широкие исследования и разработаны эффективные методы и способы строительства. На рис. 4 приведены рекомендуемые методы подготовки оснований и устройства фундаментов на основаниях, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами в условиях республики Таджикистан.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Процессы обводнения и подтопления ранее маловлажных лессовых просадоч-ных грунтов охватывают почти все орошаемые регионы республики Таджикистан, приобретают характер закономерности и наблюдается тенденция к их увеличению. Как правило, орошаемые территории находятся в пределах крупных городов и населенных пунктов, в связи с чем, развитие городов будет осуществляться за счет освоения площадей, представленных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами. В свою очередь, это обстоятельство будет способствовать взаимовлиянию и усугублению процессов техногенного подтопления указанных территорий.
2. В республике Таджикистан процесс обводнения имеет свои региональные особенности и основными причинами подтопления являются комплекс природных и техногенных факторов, причем техногенные факторы являются определяющими и на них приходится более 70% от общего объема. Интенсификации воздействия техногенных факторов способствует повсеместный подпор грунтовых вод, оказываемый многочисленными природными и искусственными водохранилищами и водоемами.
3. Изучены особенности образования, распространения и изменения физико-механических свойств слабых водонасыщенных лессовых грунтов различных регионов республики Таджикистан в результате обводнения. Установлены основные факторы обводнения, характер и степень изменения основных строительных свойств лессовых грунтов в зависимости от расположения УПВ от поверхности, рекомендованы эффективные методы подготовки оснований и устройства фундаментов (на естественных и искусственных основаниях) на слабых водонасыщенных лессовых грунтах в условиях республики.
