CC BY
126
ВЕСТНИК лтчпл'».
10/2013
УДК 624.139
С.Н. Чернышев
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ПОДХОД К КЛАССИФИКАЦИИ ДИСПЕРСНЫХ И СКАДИ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
В развитие классификации грунтов, приведенной в ГОСТ 25100—2011 «Грунты. Классификация», впервые предложены классификации грунтовых массивов, расположенных в основаниях зданий и сооружений. Классификационные таблицы приведены для массивов, состоящих целиком из дисперсных грунтов, а также для массивов из скальных и дисперсных грунтов. Для второго класса массивов предложено сокращенное наименование «скади». Приведены обоснование и обсуждение предложенных классификаций.
Ключевые слова: грунты, классификация грунтов, скальные грунты, дисперсные грунты, массивы грунтов, осадочные горные породы, магматические горные породы, метаморфические горные породы, основания сооружений, слои, моделирование оснований сооружений, скади.
Грунтовым массивом называем часть геологической среды, состоящую из одного или нескольких грунтов, генетически и структурно обособленную, находящуюся в области влияния сооружения и прилежащих объемах подземного пространства.
Понятие грунтовый массив уже несколько десятилетий постепенно складывается в инженерной геологии. Необходимость такого понятия вытекает из принципиального представления о иерархичности геологической среды [1], о ее неоднородности и многоуровневом строении [2—4]. С доисторических времен утвердилось, что геологическая среда состоит из элементарных малых по объему тел — минералов, которые закономерно объединяются в горные породы. С развитием науки установили, что горные породы в природе так же закономерно объединены в генетические комплексы или формации. В общей геологии и геотектонике известны закономерно построенные структуры других уровней, такие как щиты и платформы, где слагающими частями служат слоистые толщи осадочных формаций, массивы метаморфических горных пород и магматические тела. В свою очередь, эти крупные структурные образования, как элементы, слагают литосферу, построенную по своим законам. Для целей строительства нам достаточно рассмотреть три первых уровня организации геологической среды, не осложняя задачу для изыскателя более дробным [1] делением геологических тел. Лишь в региональной инженерной геологии, да на предпроектной стадии для линейных сооружений большой протяженности рассматриваются более крупные части литосферы, являющиеся ассоциациями грунтовых массивов. На проектных стадиях среда линейных сооружений уже рассматривается как цепь грунтовых массивов. Необходимо заметить, что изучение среды сооружений на первом уровне, изучение свойств минеральных зерен — задача грунтоведения. При изысканиях для строительства на этот уровень детальности не опускаются. Актуальными остаются два уровня: уровень грунтов и уровень грунтовых массивов.
Показано, что свойства геологических тел в объеме минеральных зерен в объеме образца грунта и объеме грунтового массива закономерно различны [2—4]. Различия эти подчиняются законам масштабных эффектов. Объемы геологической среды, вовлекаемые во взаимодействие с сооружениями, всегда больше не только объема минеральных зерен, но и больше объема образца, на котором изучаются в петрографии (литологии) и грунтоведении строение и свойства грунтов. В связи с масштабными эффектами для строительства, геологическую среду необходимо изучать в объемах, соразмерных объемам сооружений, потому в инженерной геологии давно назрела проблема изучения грунтов в объеме массива.
В настоящее время в инженерной геологии существует общепринятая классификация грунтов [5] и отсутствует общая классификация грунтовых массивов. Понятие массива пока широко употребляется только применительно к скальным грунтам. В [6] мы предложили объединить все грунтовые массивы в 4 класса: 1) скальные; 2) дисперсные; 3) скади; 4) мерзлые. В третий класс включаем массивы, состоящие из скальных (ска) и дисперсных (ди) грунтов. В данной статье мы дадим классификацию грунтовых массивов, нацело состоящих из дисперсных грунтов (класс 2) или включающих дисперсные и скальные грунты (класс 3). Рассмотрим только массивы, расположенные вне криолитозоны.
Массив дисперсного грунта — понятие, которое только входит в инженерную геологию. Поведение массива дисперсного грунта при взаимодействии со зданием или сооружением зависит от многих факторов. Часть их них определяется конструкцией сооружения и технологией его возведения. Это чисто инженерные факторы. Мы их здесь не рассматриваем. Другая часть — геологические факторы. Среди них физические, механические и химические свойства грунтов, изучаемые в лаборатории и полевыми методами, лишь один из многих факторов. Поведение массива в системе основание — сооружение зависит еще от наличия редких и маломощных линз и прослоев, которые часто не попадают в сферу воздействия прибора для полевых испытаний (штампа, прессиометра и т.п.), от способа переслаивания грунтов, от трещин, которые присутствуют не только в глинистых, но иногда и в песчаных грунтах, от наличия пустот типа псевдокарста в лёссах, глиняного карста в глинистых грунтах, различного рода крупных полостей и высокопрочных включений в техногенных грунтах, от поля напряжений, которое меняется от ИГЭ (инженерно-геологический элемент) к ИГЭ, от состояния и химического состава подземных вод в массиве.
Многократно установлено, что характеристики дисперсных грунтов в массиве существенно отличаются от характеристик тех же грунтов, определенных на образцах. Так модуль деформации, полученный по лабораторным компрессионным испытаниям при пересчете на массив, по отечественным рекомендациям, должен быть увеличен в 2...6 раз, в зависимости от коэффициента пористости и наименования грунта. В DIN приняты иные повышающие коэффициенты, которые существенно меньше. Для оценки коэффициента фильтрации Кф массива, состоящего из слоев грунта с разной водопроницаемостью, имеются формулы для пересчета с частных значений Кф для слоев на обобщенные для массива. Прослои и линзы песков в глинистом грунте сильно снижают устойчивость массива в откосах. Все это заставляет испытывать дисперсные грунты в массиве полевыми методами, а также ориентирует на геомеханические рас-
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
четы цифровыми методами с учетом деталей строения массива дисперсных грунтов. Методический подход к инженерно-геологическому исследованию и расчетному моделированию должен быть различен в зависимости от типа дисперсного грунтового массива.
Типы и подтипы дисперсных грунтовых массивов выделяем по происхождению, как ранее в [6] для скальных массивов. На уровне типов выделяем дисперсные грунтовые массивы: 1) осадочные; 2) вулканогенно-осадочные; 3) элювиальные; 4) техногенные (табл. 1). Главнейшими с практической точки зрения являются массивы осадочных отложений. Они имеют широчайшее распространение в Европейской части РФ и на юге и юго-западе Сибири и Дальнего Востока. Массивы элювиальных грунтов, по определению, не могут быть объединены с массивами осадочных отложений, так как элювий не проходит стадий транспортировки и осаждения. Массивы элювиальных грунтов имеют специфическую значительную неоднородность, отличающую их от массивов осадочных отложений. Минеральный состав, структура и текстура, а с ними и наименования грунтов закономерно изменяются по глубине без четких границ. В плане для элювиальных грунтовых массивов характерна значительная случайная изменчивость состава, свойств и мощности. Они отделены от осадочных грунтов и в табл. 2 из ГОСТ «Грунты. Классификация» [5]. Все это позволяет выделить элювий в отдельный тип грунтовых массивов.
Табл. 1. Классификация дисперсных грунтовых массивов
Класс Тип Подтип
Дисперсный грунтовый массив Осадочный Морской
Континентальный
Вулканогенно-осадочный Вулканогенно-осадочный
Осадочно-вулканогенный
Пирокластический
Элювиальный На магматических горных породах
На осадочных горных породах
На метаморфических горных породах
Техногенный Измененный (на месте залегания)
Переотложенный
Антропогенный
Логически обоснованно выделение в рассматриваемом классе типа вул-каногенно-осадочных грунтовых массивов, но реально массивы чисто дисперсных грунтов среди вулканогенно-осадочных отложений встречаются редко, так как в массиве нелитифицированные слои, как правило, перемежаются со скальными породами того же генезиса. Массивы вулканогенно-осадочного происхождения в большинстве относятся к скальным или скади массивам.
Техногенные грунты в актуализированном ГОСТе из уровня классов переведены во второй столбец классификации. Они выделяются среди дисперсных, скальных и мерзлых грунтов. Классификация их не детализирована, что затрудняет нашу задачу создать классификацию их ассоциаций. За основу в этом документе принята отечественная классификация техногенных грунтов, предложенная в 1990 г. коллективом авторов [7], обновленная и развитая в [8]. Будем и мы опираться на нее.
Техногенные грунтовые массивы мы выделяем в отдельный тип внутри класса дисперсных массивов как образование особого генезиса. Дисперсные массивы техногенных грунтов могут быть разделены по способу образования грунтов на 3 подтипа: 1) массивы, техногенно измененные в условиях естественного залегания; 2) массивы техногенно переотложенные; 3) массивы антропогенные. К первому подтипу относятся массивы различными способами доуплотненных грунтов: лёссов после замачивания или трамбования, илов после фильтрационной консолидации и др. Сюда также относятся массивы оснований, измененные нагрузкой от фундаментов, грунтовые массивы, загрязненные утечками. Грунты этого подтипа в сравнении с исходными природными грунтами имеют, как правило, измененную текстуру, но структура грунтов и макростроение массивов, линзы, прослои сохраняются. Техногенно переотложенные грунтовые массивы не сохраняют ни макро- ни микростроения, их минеральный состав также может быть изменен технологическими добавками или случайными примесями, например, строительного мусора. Однако доля добавок не велика. Они существенно не меняют свойства грунтов в массиве. Сюда относятся создаваемые с заданной структурой и свойствами массивы грунтов земляных сооружений, насыпные и намывные, в которых отдельные грунты играют роль дренажей, противофиль-трационных, противосуффозионных элементов. Сюда же относятся неорганизованные отвалы грунтов, создаваемые при строительстве и добыче полезных ископаемых. Массивы третьего подтипа, антропогенные, напротив, создаются преимущественно из переработанных человеком материалов. Таковы массивы полигонов ТБО или хвостохранилищ горно-обогатительных предприятий и др. Строение этих массивов может быть выполнено по проекту, либо складываться стихийно, как на неорганизованных свалках.
Скади — так назовем массивы, состоящие из перемежающихся скальных (ска) и дисперсных (ди) грунтов. Много лет назад В.Д. Ломтадзе в беседе с автором настоящей статьи, критикуя наше увлечение скальными массивами, указывал нам на широкое распространение слоистых толщ, которые строго говоря, в рамках геологической терминологии нельзя назвать массивами. Мы же, сознательно отходя от строгой геологической терминологии, приближаемся к терминологии геомеханической, выстраивая свою инженерно-геологическую терминологию. Тем более, говорил В.Д. Ломтадзе, нельзя относить к скальным массивам слоистые толщи с чередованием дисперсных и скальных грунтов. «Куда их отнести?» — спрашивал он. К скальным массивам нельзя, так как даже при незначительной доле дисперсных грунтов они оказывают иногда решающее влияние на свойства совокупного объема. Тривиальны примеры соскальзывания крупных скальных блоков по глинистым прослоям. Такой механизм имел катастрофический оползень Вайонт (Италия, 1963). В Индии автору (с участием С.Б. Ухова и С.А. Юфина) довелось посетить для консультаций плотину Наджарюна в штате Хайдарабад. Она построена на трещиноватых кварцитах с тонкими, сантиметровыми, линзами и прослоями дисперсного супесчаного грунта не затронутого окварцеванием. В обход плотины и под ней по трещинам и прослоям пылеватых песков шел поток воды, который выносил пылеватые и песчаные частицы. Суффозия грозила деформировать 100-метровую плотину. Аналогичная толща имеется под Москвой в юрских и меловых отложениях. Здесь пески преобладают. Песчаники типа кварцитов, продукт вторичного ок-
ВЕСТНИК лтчпл'».
10/2013
варцевания, залегают горизонтально линзами мощностью до нескольких метров в толще песков на разных уровнях. Забивные сваи в таком массиве в пределах одного свайного поля дают отказы на разных глубинах. Наличие дисперсных грунтов среди скальных осложняет проходку и крепление тоннелей. Итак, скади своеобразная и недостаточно изученная в инженерной геологии структура. Они встречаются среди осадочных толщ разного генезиса и возраста от кембрия до голоцена, а также среди массивов магматических и метаморфических горных пород.
В классе скади (табл. 2) выделяем типы грунтовых массивов: 1) магматические; 2) метаморфические; 3) осадочные; 4) элювиальные; 5) техногенные.
Табл. 2. Классификация грунтовых скади массивов
Класс Тип Подтип
Скади грунтовый массив Магматический Динамо-метаморфизованные (магматические массивы с зонами дробления и милонитизации)
Магматические массивы с карманами выветривания до состояния дисперсных грунтов
Метаморфический Динамо-метаморфизованные (метаморфические массивы с зонами дробления и милонитизации)
Метаморфические массивы с карманами выветривания до состояния дисперсных грунтов
Контактово-метаморфизованные дисперсные осадочные грунты с преобладанием скальных метаморфических и магматических, с частичным сохранением дисперсных грунтов
Осадочный Контактово-метаморфизованные дисперсные осадочные грунты с преобладанием дисперсных осадочных грунтов
Морские выборочно литифицированные
Континентальные выборочно литифицированные
Морские скальные выборочно гипергенно измененные до состояния дисперсных грунтов
Континентальные скальные выборочно гипергенно измененные до состояния дисперсных грунтов
Динамо-метаморфизованные (массивы осадочных горных пород с зонами дробления и милонитизации)
Вулканогенно-осадочный Вулканогенно-осадочный
Осадочно-вулканогенный
Пирокластический
Элювиальный На магматических горных породах
На осадочных горных породах
На метаморфических горных породах
Техногенный Измененный (на месте залегания)
Переотложенный
Новообразованный (антропогенный)
Массивы скальных грунтов как магматического, так и метаморфического и осадочного типов могут включать дисперсные грунты в силу дробления горных пород в зоне тектонического разрыва до глыб, щебня и милонита. Обломочный материал в подвижной зоне сильно уплотнен, расположен беспорядочно, как правило, слабо сжимаем, водонепроницаем (в отличие от прилежащей зоны оперения разрыва, где множество раскрытых трещин и циркулируют подземные воды).
Второй причиной нахождения дисперсных грунтов среди магматических, метаморфических или осадочных скальных и полускальных грунтов может быть выветривание. Дисперсные элювиальные образования располагаются субвертикальными карманами либо приурочены к нестойким к выветриванию зонам повышенной трещиноватости и прослоям осадочных скальных массивов. В таком случае зоны дисперсных грунтов могут быть горизонтальны или наклонены в соответствии с общим падением слоев. Они образуют отдельные инженерно-геологические элементы со сложнейшими границами.
Наряду с гипергенно измененными скальными массивами магматических, метаморфических и осадочных горных пород мы выделяем элювиальные массивы, в которых фрагменты материнских скальных пород разобщены, имеют объем менее половины объема массива. Это массивы преимущественно дисперсных грунтов.
В зоне контакта магматических интрузий с вмещающими дисперсными грунтовыми массивами могут быть сложнейшие по геологическому строению контактово-метаморфические тела с апофизами магматических пород. Автору приходилось видеть такое тело в основании Усть-Илимского ЛПК (лесо-про-мышленный комплекс). Основание 100-метровой башни площадью 15^15 м было разведано пятью скважинами, вскрывшими элювий угленосной формации каменноугольного возраста, и под ним долеритовый силл триасового возраста. Скважины вошли в высокопрочные долериты на 30.. .50 см. Когда котлован был вскрыт до проектной глубины 4 м, оказалось, что фактический разрез не имеет общего с построенным геологами. Силла не оказалось. В котловане осадочные породы были бессистемно пронизаны изгибающимися и разветвляющимися апофизами долеритов. Строительство было задержано на 1.2 мес. для доразведки и перепроектирования, в фундамент было уложено дополнительно порядка 600 м3 бетона. Контактово-метаморфизованный массив описанного типа при преобладании скальных грунтов можно отнести к метаморфическим скади массивам, при преобладании дисперсных осадочных грунтов — к осадочным скади массивам.
Кроме того, среди осадочных скади массивов в качестве подтипа выделяются массивы литифицированные выборочно, примерами которых служат названные подмосковные верхнеюрские пески с линзами песчаников. Сюда также относится карбонатная формация каменноугольного возраста Московской сине-клизы, сложенная переслаивающимися известняками, доломитами, мергелями и известковистыми глинами. Отдельный подтип скади массивов составляют ги-пергенно измененные массивы осадочных скальных грунтов. Специфика их в том, что под слоем скального грунта, слабо выветриваемого и бронирующего нижележащие породы, может залегать слой, разрушенный до щебня и суглинка.
Техногенные грунтовые массивы часто состоят из сочетания дисперсных и скальных грунтов, так как среди скальных грунтов, создаваемых инъекциями,
ВЕСТНИК AtM-iMt.
10/2013
обычно сохраняются неизмененные грунты. Массивы дисперсных грунтов со сваями или анкерами разного наименования также следует относить к техногенным скади массивам. Культурный слой городов при наличии остатков фундаментов старых зданий, иногда с камерами незаполненных грунтом подвалов и колодцев, также относим к скади массивам. Следуя ГОСТ 25100—2011, в типе скади выделяем массивы техногенно измененные в условиях естественного залегания и массивы переотложенных грунтов, например, грунты хво-стохранилищ, упомянутый культурный слой.
Выделенные подтипы грунтов могут быть разделены на виды и разновидности по признаку состава, как это сделано в классификации грунтов ГОСТ 25100—2011. Объем статьи не позволяет детализировать классификации на этих уровнях.
Библиографический список
1. Бондарик Г.К. Теория геологического поля (философские и методологические основы геологии). М. : ВИМС, 2002. 129 с.
2. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М. : Наука, 1967. 86 с.
3. Чернышев С.Н. Фильтрационная неоднородность массивов горных пород // Оценка точности определения водопроницаемости горных пород / Н.И. Ильин, Е.С. Дзкцер, В.С. Зильберг, С.Н. Чернышев. М. : Наука, 1971. С. 91—114.
4. RatsM.V., Chernyshev S.N. Statistical Aspect of the Problem on the Permeability of the Jointed Rocks // Hydrology of Fractured Rocks / Pros. Intern. Assoc. Hydrol. Sympos. Dubrovnik. Paris, AIH — UNESCO. 1967, pp. 114—119.
5. ГОСТ 25100—2011. Грунты. Классификация. Межгосударственный стандарт. М., 2013. 60 с.
6. Чернышев С.Н. Принципы классификации грунтовых массивов // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 41—46.
7. Классификация техногенных грунтов / А.П. Афонин, И.В. Дудлер, Р.С. Зиангиров, Ю.М. Лычко, Е.Н. Огородников, Д.В. Спиридонов, Д.С. Дроздов // Инженерная геология. 1990. № 1. С. 115—121.
8. Огородникова Е.Н., Николаева С.К., Нагорная М.А. Инженерно-геологические особенности намывных техногенных грунтов // Инженерная геология. 2013. № 1. С. 16—26.
Поступила в редакцию в августе 2013 г.
Об авторе: Чернышев Сергей Николаевич — доктор геолого-минералогических наук, профессор, профессор кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 9581148@list.ru.
Для цитирования: Чернышев С.Н. Подход к классификации дисперсных и скади грунтовых массивов для строительства // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 94—101.
S.N. Chernyshev
APPROACH TO THE CLASSIFICATION OF DISPERSED SOIL MASSES FOR CONSTRUCTION
For the first time classifications of soil in the base of buildings and structures were offered in the soil classification given in All Union State standard "Soil" 25100—2011.
The soil masses can consist only of dispersed soil or of rocks and dispersed soil. In the second case strong rocks alternate with the precipitates which haven't received natural hardening. Classification tables are provided for the masses consisting entirely of soil, and also for soil masses of rocks and dispersed soil. For the second class the abbreviated name "SKADI" is offered. For the class of dispersed soil masses the classification by the principle of their origin is used: sedimentary, vulkanogenic-sedimentary, eluvial (aeration products), technogenic. For the class "SKADI", in which soil and rocks come together, the classification is: magmatic, metamorphic, sedimentary, vulkanogen-sedi-mentary, eluvial and technogenic. Subtypes are also classified by origin. For example, in the sedimentary soil type, the subtypes are: sea origin and continental origin. In the class "SKADI" in sedimentary type we distinguish: sea locally strengthened by nature, continental locally strengthened by nature, sea locally destroyed by aeration to the state of soil, continental locally destroyed by aeration to the state of soil, and mass of rocks with crushing zones. The reasons for the offered classifications are given and discussed. The offered classifications are intended for planning engineering-geological researches for construction. The reason is that the quantity of boreholes, types and number of tests of soil and rocks depend on soil class, type and subtype. The classifications can be useful in case of choosing the method for soil masses simulation to calculate the bases and to preliminary estimate the level of the base model complexity.
Key words: soils, soil classification, rocky soil, dispersed soil, soil masses, sedimentary rocks, magmatic rocks, metamorphic rocks, base of structures, layers, structure base modeling, SKADI.
References
1. Bondarik G.K Teoriya geologicheskogo polya (filosofskie i metodologicheskie osnovy geologii) [The Theory of Geological Field (Philosophical and Methodological Basis of the Geology)]. Moscow, VIMS Publ., 2002, 129 p.
2. Rats M.V. Neodnorodnost'gornykh porodiikh fizicheskikh svoystv[The Heterogeneity of Rocks and their Physical Properties], Moscow, Nauka Publ., 1967, 86 p.
3. Chernyshev S.N. Fil'tratsionnaya neodnorodnost' massivov gornykh porod [The Filtration Heterogeneity of Rock Massifs]. In: Il'in N.I., Dzktser E.S., Zil'berg V.S., Chernyshev S.N. Otsenka tochnosti opredeleniya vodopronitsaemosti gornykh porod [Estimation of the Accuracy of Rock Permeability Determination]. Moscow, Nauka Publ., 1971, pp. 91—114.
4. Rats M.V., Chernyshev S.N. Statistical Aspect of the Problem on the Permeability of the Jointy Rocks. Hydrology of Fractured Rocks. Pros. Intern. Assoc. Hydrol. Sympos. Du-brovnik. Paris, AIH - UNESCO Publ., 1967, pp. 114—119.
5. All Union State standard of the Russian Federation GOST 25100—2011. Grunty, Klas-sifikatsiya, Mezhgosudarstvennyy standart [Soils. Classification. Interstate standard]. Moscow, 2013, 60 p.
6. Chernyshev S.N. Printsipy klassifikatsii gruntovykh massivov [Principles of Classification of Soil Masses for Construction]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 41—46.
7. Afonin A.P., Dudler I.V., Ziangirov R.S., Lychko Yu.M., Ogorodnikov E.N., Spiridonov D.V., Drozdov D.S. Klassifikatsiya tekhnogennykh gruntov [Technogenic Soil Classification]. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. 1990, no. 1, pp. 115—121.
8. Ogorodnikova E.N., Nikolaeva S.K., Nagornaya M.A. Inzhenerno-geologicheskie oso-bennosti namyvnykh tekhnogennykh gruntov [Engineering-Geological Features of Man-made Alluvial Grounds]. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. 2013, no.1, pp. 16—26.
About the author: Chernyshev Sergey Nikolaevich — Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU),
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; 9581148@list.ru.
For citation: Chernyshev S.N. Podkhod k klassifikatsii dispersnykh i skadi gruntovykh massivov dlya stroitel'stva [Approach to the Classification of Disperse Soil Masses for Construction]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 94—101.
