CC BY
193
УДК 622.278
Романова Марина Викторовна
Marina Romanova
ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ГРУНТОВ г. ЧИТА, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ РИСК
PECULIARITIES OF PROPERTIES OF CHITA GROUNDS CAUSING GEOTECHNICAL RISK
Рассмотрены аспекты возникновения геотехнического риска, связанные с изменением свойств нескальных горных пород в процессе строительства и эксплуатации сооружений в региональных условиях. Приведены результаты экспериментальных исследований негативных геологических процессов, влияющих на трансформацию природных свойств грунтов
The aspects of origin of geotechnical risk, bound with change of properties of unrocky rocks are considered during construction and maintenance of facilities in regional conditions. The outcomes of experimental researches of negative geological processes influencing transformation of natural properties of grounds are adduced
Ключевые слова: геотехнический риск, негативные Key words: geotechnical risk, negative geological proc-геологические процессы, трансформация природных esses, transformation of natural properties of grounds свойств грунтов
Известно, что наблюдаемые в последнее время повреждения и аварийные ситуации с инженерными сооружениями в большинстве случаев связаны с недопустимыми деформациями грунтовых оснований.
В этой связи особое место занимает проблема устойчивости грунтов в условиях интенсивных техногенных нагрузок, оценка степени их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружений. Влияние комплекса природно-техногенных факторов приводит к утрате грунтами первоначальных параметров физико-механических свойств, которые были использованы при разработке проектной документации, что, в свою очередь, является причиной возникновения геотехнического и геоэкологического рисков. Следует отметить, что в перечень технологий, имеющих важное социально-экономическое значение и утвержденных распоряжением Правительства
РФ от 25.08.2008 г., входят технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф. К факторам, приводящим к ухудшению показателей свойств грунтов, следует отнести возникновение или усиление негативных геологических (экзогенных) процессов, существенное нарушение гидрогеологического режима основания сооружения, изменение температурного режима грунтов, их химическое и биологическое загрязнение и т.д.
Анализируя общую ситуацию, сложившуюся в настоящее время в г. Чита, следует отметить, что специалисты проектных, строительных, изыскательских организаций, инвесторы-застройщики, как правило, не только не обращают внимание на проблему трансформации свойств грунтов, но и недооценивают роль полноценных качественных инженерных изысканий в успехе строительства. Пытаясь
снизить общую стоимость строительства и полагая, что район г. Чита достаточно изучен в инженерно-геологическом отношении, зачастую используют архивные данные, сокращают объемы и состав изысканий. Экспертные организации, как правило, также не обращают на это должного внимания. Между тем, как показывает практика, при отсутствии мониторинга свойств грунтов и сокращенной стоимости изысканий создается лишь «видимость» экономии. На самом деле происходит существенное удорожание строительства за счет выбора нерациональных технологий возведения объекта и его конструкций, а главное - снижение геотехнической надежности инженерных сооружений.
Одной из особенностей рассматриваемых условий района г. Чита, осложняющих сложившуюся ситуацию, является деградация многолетнемерзлых и аградация оттаявших грунтов вследствие влияния комплекса природно-техногенных факторов. В результате в активной зоне сооружений происходит качественное изменение свойств грунтов. Следует отметить, что на одной и той же площадке возможны проявления прямо противоположных процессов - деградации и аградации. Так, на площадке, расположенной по ул. Авиационной, 1 (объект № 1), в результате проведенных исследований был зафиксирован подъем кровли ММГ внутри неотапливаемого здания цеха металлоконструкций в течение 15 лет. Результаты изысканий 2006 г. установили наличие ММГ на глубине 1,5 м от дневной поверхности. В то же время в основании отапливаемого здания гаража (объект № 2), находящегося на расстоянии 250 м от упомянутого цеха, изыскания 2007 г. ММГ на глубине 15 м не были обнаружены.
В обоих случаях основания рассматриваемых сооружений представлены следующими грунтами: суглинками элювиальными средней мощностью 18 м, для объекта № 1 - мерзлыми, для объекта № 2 - талыми; супесью мерзлой средней мощностью 1,6 м, а также песками средней крупности, крупными и граве-
листыми средней мощностью 4,25 м, находящимися в мерзлом состоянии.
Архивные данные, наличие трещин в стенах, конструкциях и выполненное усиление здания свидетельствуют о том, что деградация ММГ произошла в начальный период эксплуатации гаража.
В настоящей статье приведены результаты исследований трех типов грунтов, которые в известной мере могут рассматриваться в качестве характерных песчано-глинистых пород изучаемого района, изменяющих свои свойства под влиянием техноприродных факторов. Одной из характерных особенностей рассматриваемых грунтов является изменение их фильтрационной прочности под влиянием суффозионных процессов. Впервые на возможность проявления суффозии в грунтах г. Чита обратили внимание специалисты ОАО «ЗабайкалТИСИЗА». Заключение, выданное ими, хотя и не было подтверждено соответствующими расчетами и опытами, явилось основанием для более глубокого исследования фильтрационно-суффозионных свойств грунтов автором статьи.
Ввиду недостаточной изученности рассматриваемого вопроса нами была выполнена аналитическая и экспериментальная проверка возможности проявления суффозионных процессов на одной из площадок строительства многоэтажного жилого дома по проспекту Бе-лика. Данный участок расположен в пойме р. Чита и подвергался периодическому затоплению. Максимальный его уровень в 1991 г. достигал 1,5 м. Геологический разрез под зданием на пр. Белика представлен песками гравелистыми мощностью 3,5...5,6 м, которые расположены над слоем суглинков (элювий алевролитов), подошва последних результатами изысканий не установлена. Верхняя часть разреза представлена насыпными грунтами незначительной мощности.
В соответствии с данными гранулометрического состава коэффициент неоднородности песка составил Кн = 31,67. Так как грунт относится к неоднородным, и соотношение
средних диаметров крупной фракции и мелкой составляет более 20, грунт можно отнести к суффозионноопасным.
Анализ инженерно-геологического разреза показал, что суффозионные процессы под фундаментом здания могут проходить от кровли суглинков до подошвы фундамента по всей мощности гравелистых песков.
Анализируя различные схемы движения фильтрационного потока, в том числе и наиболее вероятную с затоплением подвала, мы установили, что во всех случаях гидравлический градиент превышал значение 5, и поэтому проявление суффозионных процессов в грунтовом основании в начальный период затопления было вполне допустимо. С целью проверки этого предположения была проведена
серия экспериментальных исследований с грунтами упомянутой площадки строительства. В связи с тем, что в научной литературе сведений о каких-либо значительных экспериментальных исследованиях, касающихся изменения свойств пород вследствие суффозии, в последние годы не приводилось, сопоставление полученных данных с результатами подобных исследований было затруднительно
[1].
В опытах моделировались разные условия работы грунтов под фундаментами зданий:
- варьировалась степень неоднородности грунта;
- изменялась удельная нагрузка на
грунт;
- изменялся градиент напора.
Неоднородность лтрунтдота.ед.
---Доверительные граш:цы гс Стысденту с. Е-С , 95
Рис. 1. Схема зависимости выноса мелких частиц грунта от его неоднородности, отн. ед.
Рис. 2. Схема зависимости выноса мелких частиц грунта от прикладываемой на него нагрузки, МПа
Результаты первой серии опытов уже позволили выявить некоторые тенденции, требующие более детального и тщательного изучения. На рис. 1 и 2 показаны зависимости выноса частиц грунта от его неоднородности и прикладываемой нагрузки.
Оба графика указывают на существенную корреляционную связь; коэффициенты корреляции составили Г1= 0,69 и Г2=0,63; соответствующие ошибки аппроксимации Ст1=+4,3 и СТ2=+2,5. Данные зависимости аппроксимированы линейными зависимостями вида: У=1,92+1,19%;
У=7'30-282'94Х2,
где У - вынос мелких частиц грунта в процессе испытания, %;
Х1 - значение неоднородности грунта, отн.
ед;
Х2 - нагрузка на грунт, создаваемая штампом, МПа.
Подобные исследования суффозионной устойчивости глинистых грунтов были проведены сотрудниками кафедры гидрогеологии и
инженерной геологии ЧитГУ для гидрозолоот-вала (ГЗО) Читинской ТЭЦ-1. Постановка проблемы была вызвана тем, что проектируемые к использованию в качестве противофильтра-ционного экрана грунты карьеров № 1 и № 2 не были исследованы на предмет проявления суффозионных свойств.
Грунты в карьерах на глубину до 5 м представляют собой выветрелые алевролиты, интенсивно разбитые морозобойными трещинами. Материал дезинтегрирован в той или иной степени. Причем в отдельных пробах грунт представлял собой действительно суглинок с соответствующими фильтрационными свойствами, но в подавляющем большинстве случаев - выветрелый алевролит в виде отдельных обломков размером до 5 см с коэффициентами фильтрации, соответствующими щебню или трещиноватой скальной породе (до 35 м/сут).
Региональной особенностью исследованных грунтов является то, что в естественном состоянии они не могут быть отнесены ни
к скальной породе, ни к суглинку. Суффозион-ный вынос частиц начинается при определенных градиентах напора, зависящих от степени уплотнения грунта. Для слабо уплотненного грунта (Рсі= 1,11 г/см3), плотность которого ниже природной ( Pd= 1,5 г/см3), суффозионный размыв начинается при градиентах напора J = 5-7. В результате выноса мелких частиц коэффициент фильтрации грунта увеличивается в 2...3 раза. Для более уплотненных грунтов с коэффициентами фильтрации К = 0,018.0,008
м/сут суффозионные процессы незаметны даже при значениях градиентов напора > 22. В ряде случаев при ^22 не отмечалась и фильтрация, т. е. эта величина является начальным градиентом напора, при котором суглинок практически водонепроницаем.
В качестве примера на рис. 3 приведены графики изменения коэффициента фильтрации в зависимости от плотности сложения суглинков и времени замачивания, полученные в результате упомянутых исследований.
я> Кф, ы/сут
6]
Рис. 3. Схема изменения коэффициента фильтрации Кф: а - при возрастании плотности Р6 сложения суглинков (нарушений структуры); б - при увеличении продолжительности замачивания суглинка (нарушенной структуры)
В процессе проведения опыта, продолжительность которого составила 2.3 ч и более, водопроницаемость грунта снижалась. Очевидно, при размокании грунта лишь его наиболее выветрелая часть способна к набуханию за отмеченный промежуток времени.
Необходимо отметить одно парадоксальное обстоятельство: суффозия нередко представляет собой побочный результат применения мероприятий по защите от других экзогенных геологических процессов. При этом снижается эффективность инженерной защиты и возникают новые непредвиденные проблемы, например, для объекта «Оползневой склон на 24 км автомобильной дороги Чита - Улеты»
[2].
Участок на 24 км автомобильной дороги
Чита - Улеты проходит по обрывистому берегу р. Ингода. Сошедший оползень в 1995 г. поставил под угрозу эксплуатацию примыкающих к границе оползания автомобильной и железной дорог. Причиной оползания массива пород явилось ошибочное техническое решение о пригрузке динамически неустойчивого склона каменно-набросным материалом.
Обнажение почти вертикального откоса, сложенного слабопрочными нижнемеловыми переслаивающимися толщами аргиллитов, алевролитов и песчаников, привело к интенсивным процессам выветривания, эрозии, обвалам, а также объемному промерзанию пород обнаженного массива.
В 1998 г. институтом «ЗАБАЙКАЛЖЕЛ-ДОРПРОЕКТ» с привлечением сотрудников
Читинского государственного университета на данном участке были выполнены детальные инженерно-геологические изыскания.
В результате исследований выявлено различие в величинах напорных градиентов, при которых начинается процесс механического выноса частиц из оползневого склона. Установлено, что понятие суффозионного грунта является относительным: при сравнительно больших градиентах напора и малых сжимающих напряжениях в скелете исследованные грунты могут быть суффозионными, а при больших напряжениях и малых градиентах те же грунты могут оказаться несуффозионными. С увеличением плотности сложения грунта возможность суффозии уменьшается.
Полученные данные послужили основой для количественной оценки возможности процесса выноса частиц из грунтов склона в диапазоне существующих в нем напорных градиентов. Это, в свою очередь, позволило дать прогноз изменения механических свойств исследованных грунтов во времени и обосновать технические решения укрепления склона.
Дополнительным фактором, влияющим на развитие геотехничского риска, вследствие трансформации свойств грунтов, является возникновение такого процесса, как просадочность.
Одним из показательных примеров противоречивой оценки просадочных свойств грунтов являются результаты инженерно-геологических изысканий, проведенных «Забай-калТИСИЗОМ» на площадке строительства 9этажного жилого дома. Описываемая площадка находится в центральном районе г. Чита, по ул. Ленина. В геоморфологическом отношении площадка расположена в пределах 2 надпойменной левобережной террасы р. Чита с абсолютными отметками 644,25.644,70 м.
В геологическом строении принимают участие гравийно-галечниковые отложения с песчаным заполнителем (а1). Аллювиальные (а1) грунты распространены до глубины 4,8...5,8 м.
Наибольший интерес вызвали элювиальные отложения, находящиеся в нижней
части разреза. Они представлены продуктами глубокого выветривания алевролитов, вывет-релых до состояния суглинка комковато -плитчатой структуры. При испытании элювиальных суглинков в компрессионных приборах в сухом и замоченном состояниях (по методу двух кривых), а также при замачивании под нагрузкой (по методу одной кривой) получили различные значения коэффициента относительной просадочности. Так, 6 из 10 испытаний показали, что суглинки при замачивании под нагрузкой 0,2 МПа - непросадочные, по 4 испытаниям - просадочные. Какой-либо особой закономерности в таких разбросах значений не наблюдается. Однако следует отметить, что просадочные свойства элювиального суглинка с глубины 6,5...7,0 м увеличиваются, т.к. в нижней части разреза они более трещиноватые, мелкокомковатые, что, видимо, и определяет их просадочные свойства при замачивании. По данным компрессионных испытаний, наибольшее относительное сжатие происходит на образцах с предварительным замачиванием, а меньшее - на образцах, замачивание которых происходит под нагрузкой.
Ввиду того, что для такого типа грунта не свойственно проявление просадочных свойств и приуроченность такого явления зарегистрирована для других районов РФ, на описываемой площадке были выполнены дополнительные изыскания в марте 2004 г. По результатам выполненных исследований суглинки на площадке строительства 9-этажного жилого дома по ул. Ленина в г. Чита были характеризованы непросадочными. Но, тем не менее, однозначного ответа изыскательских организаций на возможность проявления просадки суглинков нет. Это связано с тем, что оба метода исследований просадочных свойств грунтов хорошо известны в научно-технической литературе и разрешены ГОСТом к использованию.
Выводы
1. Проведенные экспериментальные исследования показали, что для условий г. Чита свойственно проявление таких процессов, как деградация ММГ, аградация, суффозия и про-
садка. На сегодняшний день в районе г. Чита наблюдается тенденция развития подобных негативных процессов и явлений, что может быть причиной изменения первоначальных свойств грунтов и увеличения геотехнических рисков.
2. В рассмотренных условиях г. Чита существует система взаимосвязанных факторов, значение каждого из которых, его доля в общей системе негативных воздействий, влияние на состав и свойства грунтов изучены недостаточно. Геосфера и объекты строительства, взаимодействуя между собой, образуют природно-техногенную среду, в которой происходят процессы техногенеза. Грунты, находящиеся в зоне техногенного влияния, утрачивают свои первоначальные параметры, на которые опирались проектировщики.
1. Бабелло В.А. Гидрогеологические исследования устойчивости бортов буроугольных разрезов в Забайкалье / В.А. Бабелло, А.Е. Беляков // Горныйжурнал. - 2005. - № 3.- С. 3-7.
2. Отчет по инженерным изысканиям на объекте « Ликвидация оврагообразования на 24 км автодороги Чита - Улеты». - Чита
Коротко об авторе__________________________________
Романова М.В., аспирантка, Читинский государственный университет (ЧитГУ)
Научные интересы: область прогнозирования механических свойств грунтов и методы их исследования, проблемы безопасности жизнедеятельности человека
3. Используемые в регионе (Забайкальский край) методики оценки и прогноза изменения физико-механических свойств грунтов не могут обеспечить достоверность и полноту информации об их показателях на этапах строительства и эксплуатации сооружений.
4. Одной из причин сложившегося положения является традиционно выполняемые независимые исследования отдельных показателей физико-механических свойств грунтов только на стадии изысканий под строительство объекта без учета их трансформации.
Приведенные примеры убедительно доказывают необходимость введения системы мониторинга свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации зданий с последующим использованием результатов в геотехническом картировании [3]. ________________________________Литература
«ЗАБАЙКАЛЖЕЛДОРПРОЕКТ». - 2001.- 45 с.
3. Романова М.В. Применение оценки надежности деформационных свойств грунтов оснований при геотехническом картировании территории г. Чита / М.В. Романова, В.А. Бабелло // Межвузовский тематический сборник трудов. - Т.
2. - Санкт-Петербург, 2009.- С. 209-214.
_____________________Briefly about the author
M. Romanova, post-graduate student, Chita State Universitiy (ChSU)
Areas of expertise: prediction field of mechanical properties of grounds and methods of their study, problems of personal safety
