CC BY
119
УЕБТЫНС
мвви
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ.
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
УДК 624.131:69
С.Н. Чернышев
ФГБОУВПО «МГСУ»
ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
Впервые предложена основа полной классификации грунтовых массивов в дополнение к классификации грунтов по ГОСТ 25100—2011. Названо 4 класса грунтовых массивов, в каждом классе несколько типов и подтипов массивов. Классификация будет служить совершенствованию инженерно-геологических изысканий и расчетных моделей геологической среды при проектировании зданий и сооружений.
Ключевые слова: грунт, горная порода, классификация, основание сооружения, геологическая среда, геологическое строение, мерзлый грунт, фильтрация, деформация, трещина, инженерная геология.
В инженерной геологии давно утвердилось и перешло в практику изысканий понятие инженерно-геологического элемента как внутренне однородного в инженерно-геологическом отношении геологического тела. Утвердилась и аббревиатура ИГЭ для этого понятия. Оно определено в ГОСТ 20522—96. «За ИГЭ принимают некоторый объем грунта одного и того же происхождения и вида при условии, что значения характеристик грунта изменяются в пределах элемента случайно (незакономерно)»1. Признано, что свойства грунта в объеме ИГЭ могут быть отличны от свойств того же грунта в образце.
Элемент, в т.ч. инженерно-геологический, всегда часть целого. Целым же является грунтовый массив, или массив грунтов, что на наш взгляд равнозначно. Авторы терминологического справочника (Пашкин, Каган, Кривоногова) для массива грунтов и грунтового массива дают одно определение: «Массив грунтов — в инженерной геологии часть геологической среды, находящаяся во взаимодействии с сооружением или влияющая на инженерную или хозяйственную деятельность человеческого сообщества» [1]. Они определяют понятие грунтового массива с чисто инженерных позиций. В их понимании грунтовый массив тождественен области влияния сооружения на геологическую среду. Нам же представляется полезным внести в определение массива грунтов (грунтового массива) геологическую сущность, как она внесена в понятие ИГЭ. Это упростит характеристику массива при описании, в частности в ходе инженерно-геологических изысканий. Например, основанием плотины Братской ГЭС на р. Ангаре служит мезозойский долеритовый силл и вмещающие его осадочные породы красноцветной формации ордовика. На наш взгляд, в инженерно-геологическом отношении оно состоит из двух генетически обо-
1 ГОСТ 20522—96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. М., 1997. 25 с.
собленных и разных по свойствам грунтовых массивов. Их фильтрационные, прочностные, деформационные характеристики при инженерно-геологических изысканиях были исследованы независимо. Разумеется, раздельно были даны для проектирования расчетные характеристики двух частей основания Братской плотины. Также неоднородны и основания двух последующих ступеней Ангарского каскада Усть-Илимской и Богучанской ГЭС. Если обратиться к таким объектам инженерной и хозяйственной деятельности, как крупные карьеры горных предприятий, то их влияние на напряженно-деформированное состояние грунтов распространяется на сотни метров, влияние на уровень и состав подземных вод — на тысячи и десятки тысяч метров. В зоне влияния открытых и подземных горных выработок оказываются грунты разного генезиса, которые при инженерно-геологическом моделировании рассматриваются отдельно. П.Н. Панюков [2] в связи с этим в инженерно-геологическом отношении разделял массивы месторождений полезных ископаемых на генетически обособленные части, которые назвал горно-геологическими ярусами. Такое деление соответствует принятому в тектонике и структурной геологии разделению. Каждый горно-геологический ярус состоит из одного или нескольких элементов. Сохраняя понятийную базу П.Н. Панюкова, вряд ли стоит в современном языке утверждать его термин «горно-геологический ярус» вместо уже привычного инженерам-геологам и геомеханикам слова «массив», вошедшего в научный лексикон в терминах: массив горных пород (этим термином пользовался П.Н. Панюков), скальный массив, массив основания, характеристики грунтов в массиве и др.
Предлагаем грунтовым массивом называть часть геологической среды, состоящую из одного или нескольких грунтов, генетически и структурно обособленную. Это краткое определение дано в развитие современного определения грунта2. Оно в неявном виде включает через определение грунта факт существования грунтовых массивов только в области влияния сооружения, поэтому его можно читать только совместно с определением грунта. Равнозначное расширенное определение понятия «грунтовый массив»: грунтовый массив — это структурно и генетически обособленная многокомпонентная пространственно неоднородная и изменяемая во времени часть геологической среды, состоящая из одного или нескольких грунтов, т.е. любых горных пород, почв, осадков и техногенных образований, изучаемая в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Всякий грунтовый массив отличается от соседнего массива происхождением, как следствие, породным составом, внутренней геологической структурой, напряженно-деформированным состоянием и присущими ему геодинамическими процессами. Каждый массив имеет свои расчетные характеристики грунтов. Своеобразно для массива поле [3] распределения этих характеристик, их анизотропия. Потому генетически обособленный грунтовый массив при изысканиях требует специфической программы изучения, как в смысле перечня методов, так и в смысле плотности опробования. Последнее, впрочем, зависит не только от особенностей массива, но и от инженерной задачи, ради которой он изучается.
2 ГОСТ 25100—2011. Грунты. Классификация. Межгосударственный стандарт. М., 2013. 60 с.
VESTNIK
MGSU
Границы грунтового массива совпадают с геологическими природными границами между геологическими формациями осадочных, магматических, метаморфических и техногенных образований. Это, прежде всего, границы между коренными породами и четвертичными отложениями, а также между формациями в коренных породах и генетическими комплексами в толще четвертичных отложений. В коренных породах границы грунтовых массивов совпадают с границами стратиграфического несогласия, холодными и горячими контактами магматических тел с вмещающими породами, границами вечно-мерзлых и талых грунтов, это также техногенные границы между неизмененными грунтовыми массивами и массивами частично или полностью измененных грунтов. Изучаемая в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью часть геологической среды, внутри которой проводим границы грунтовых массивов, коррелированна с областью воздействия зданий, сооружений или технологических процессов. При инженерно-геологических изысканиях проводимые границы массивов грунтов всегда выходят за пределы области воздействия здания, сооружения или технологического процесса. Выход за пределы основания осуществляется в целях лучшего понимания структурных особенностей грунтового массива и в связи с возможностью изменения области воздействия сооружения на геологическую среду. Область воздействия, по опыту проектирования, меняется как в связи с изменением проектных решений, так и в связи с уточнением строения геологической среды.
Классификацию грунтовых массивов мы строим в развитие классификации грунтов. При построении классификации будем следовать логике, принятой в ГОСТ 25100—2011. В нем грунты разделены на классы, типы, виды и разновидности. Для некоторых грунтов выделены подклассы, подтипы и подвиды. Классификации скальных, дисперсных и мерзлых грунтов там приведены в отдельных таблицах, форма которых несколько различна. Исторически классификации дисперсных, скальных и мерзлых грунтов строились независимо специалистами по каждому из названных классов грунта. Потому в ГОСТе нет единой таблицы, а для каждого класса дана своя. Впрочем, трудами комиссии по составлению ГОСТа достигнута значительная унификация; в форме таблиц мало различий. Основанием для разделения на таксономические единицы служат свойства грунтов, их состав и происхождение. Будем следовать, по возможности, той же логике.
На первом уровне классификации в ГОСТе грунты разделены по характеру связей между частицами. Выделены три класса грунтов: скальные, дисперсные и мерзлые. Класс техногенных грунтов, ранее выделенный в ГОСТ 25100—95, в новой редакции документа исключен из первого уровня классификации, поскольку техногенные грунты не обладают какими-либо специфическими связями. Техногенные грунты выделены на втором уровне, где приведены типы грунтов по происхождению.
Все грунтовые массивы по характеру связей в слагающих их грунтах разделим на 4 класса: 1) скальные; 2) дисперсные; 3) скади и 4) мерзлые. В третий класс включаем массивы, состоящие из скальных (ска) и дисперсных (ди) грунтов, переслаивающихся и иным образом перемежающихся.
Ниже для примера приведем детализацию классификации массивов скальных грунтов.
Массив скального грунта, или скальный массив, — давно укоренившееся в инженерной геологии понятие [2, 4, 5]. Скальный массив — генетически обособленная область в геологической среде, состоящая из одного или нескольких скальных или полускальных грунтов. Поведение такого массива в сочетании с сооружением определяется свойствами слагающих грунтов, их взаимным расположением (геологической структурой), сетью трещин и других ослаблений в нем, природным напряженным состоянием. Сеть трещин имеет первостепенное значение; свойства грунтов перед ней отступают на второй план. Например, в карбонатном массиве, сложенном доломитами, известняками и мергелями, при решении задач фильтрации результат зависит только от размера карстовых пустот и величины раскрытия трещин. При решении задач устойчивости бортов выемки первостепенную роль играет взаимная ориентировка выемки и трещин в массиве скальных грунтов. Признавая недостаточность для проектирования характеристики скальных грунтов по образцам, составители ГОСТ 25100—2011 в приложении Г привели классификации скальных массивов по трещиноватости. Для других грунтовых массивов классификации не приведены ввиду неразработанности темы в инженерной геологии и геомеханике как у нас, так и за рубежом [6, 7].
На втором уровне классификации скальные массивы разделены на типы по происхождению. Выделены массивы магматических, осадочных, техногенных и других грунтов (табл.), которые разделены на подтипы по месту и способу образования. Например, техногенные разделены на мелиорированные, загрязненные утечками или иным способом, нарушенные взрывами, техногенной вибрацией, разгрузкой.
Классификация грунтовых скальных массивов
Класс Тип Подтип
Магматиче ский Интрузивный
Эффузивный
Осадочный Морской
Континентальный
Скальный грунтовый массив Вулканогенно-осадочный Вулканогенно-осадочный
Осадочно-вулканогенный
Пирокластический
Метаморфический Региональный
Контактовый
Мелиорированный
Техногенный Загрязненный
Нарушенный механически
Итак, предложенная в принципиальной форме классификация грунтовых массивов на уровне классов охватит все грунтовые массивы, исследуемые
VESTNIK
MGSU
для строительства и в связи с иной хозяйственной деятельностью. На уровне подклассов, типов и подтипов при дальнейших проработках могут появиться дополнительные таксоны. Если предложенная классификация встретит поддержку специалистов, ее можно будет развивать, выделять виды, подвиды и разновидности грунтовых массивов по составу. Для грунтов классификация на этих уровнях построена по признаку минерального состава. По аналогии для массивов классификацию следует строить по породному составу, по формаци-онному признаку. Нужно использовать формационный подход Л.Д. Белого [8] к разделению геологической среды на крупные части, относительно однородные в строительном отношении. Формации, как природные комплексы, отличаются не только породным составом, но и структурными признаками: специфической формой геологических тел, слоев и линз, трещиноватостью, что существенно в инженерной геологии. В ходе гидротехнического строительства в Восточной Сибири была широко использована и глубоко изучена в инженерно-геологическом отношении трапповая формация. В Братске были установлены ее инженерно-геологические особенности, что позволило конкретизировать программу изысканий и сократить объемы работ для Усть-Илимской и Богучанской ГЭС. Это давний пример использования формационного подхода, который должен быть обобщен и тиражирован.
Классификация призвана служить совершенствованию инженерно-геологических изысканий через разработку рекомендаций по составу и объему изысканий применительно к классам массивов.
Библиографический список
1. ПашкинЕ.М., Каган А.А., КривоноговаН.Ф. Терминологический справочник по инженерной геологии I под ред. E.M. Пашкина. M. : КДУ, 2011. 952 с.
2. Панюков П.Н. Инженерная геология. M. : Госгортехиздат, 19б2. 29б с.
3. Бондарик Г.К. Теория геологического поля. M. : MИMС, 2002. 129 с.
4. Белый Л.Д. Общие принципиальные положения II Геология и плотины. M.-Л. : Госэнергоиздат, 1959. С. 9—19.
5. Muller L. Der Felsbau. Ferdinand Enke Verlag. Stuttgart. 19б3. 453 p.
6. Bauduin C.M. Determination of characteristic values. In: U. Smoltczyk (ed.), Geotechnical Engineering Handbook. Ernst, Berlin, Vol. I, 2002, pp. 17—50.
7. FrankR., Kovarik J.B. Comparasion des niveaux de modele pour la resistgce ultime des pieux sous charges axiales. Revue Francaise de Geotechnique, 110. 2005. pp. 12—25.
S. Белый Л.Д. Основы теории инженерно-геологического картирования. M. : Наука, 19б4.
Поступила в редакцию в июле 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»), 129332, г. Mосква, Ярославское шоссе, д. 2б, 95S114S@list.ru.
Для цитирования: Чернышев С.Н. Принципы классификации грунтовых массивов для строительства II Вестник MГСУ 2013. № 9. С. 41—4б.
S.N. Chernyshev
PRINCIPLES OF CLASSIFICATION OF SOIL MASSES FOR CONSTRUCTION PURPOSES
The author proposes original grounds for the classification of the full range of soil masses as a supplement to the classification of soils provided in GOST 25100—2011. The author proposes four classes of soil masses, each class having several types and sub-types of soils. The classification will improve the accuracy of engineering and geological surveys and computer models of the geological environment developed for the purpose of design of buildings and structures. The author offers a classification of soils to identify the geological environment comprising one or more types of soil which are genetically and structurally distinct. Any soil mass type differs by its origin, and, as a consequence, its internal geological structure, stress-strain state and inherent geological processes. Any genetically isolated type of soils a specific program of research, both in terms of methods and in terms of density testing in the point of sampling. The behavior of rock masses together with the engineering structure is pre-determined by the properties of the rock, its relative position (geological structure), a network of cracks and other weakening factors, and the natural state of stress. The fracture network is of paramount importance. Cracks are characterized by direction, length, width, surface roughness of walls, and a distance between parallel cracks.
Key words: soil, rock, classification, base construction, geological environment, geology, frozen soil, filtering, deformation, crack, engineering geology.
References
1. Pashkin E.M., Kagan A.A., Krivonogova N.F.; Pashkina E.M., editor. Terminologiches-kiy spravochnik po inzhenernoy geologii [Reference Book of Terms of Engineering Geology]. Moscow, KDU Publ., 2011, 952 p.
2. Panyukov P.N. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. Moscow, Gosgortekh-izdat Publ., 1962.
3. Bondarik G.K. Teoriya geologicheskogo polya [Geological Field Theory]. Moscow, MIMS Publ., 2002, 129 p.
4. Belyi L.D. Obshie principial'nye polozheniya [General Principal Provisions]. In the book: Geologiya i plotiny [Geology and Dams]. Moscow — Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1959, pp. 9—19.
5. Muller L. Der Felsbau. Ferdinand Enke Verlag. Stuttgart, 1963, 453 p.
6. Bauduin C.M. Determination of Characteristic Values. In: U. Smoltczyk, editor, Geo-technical Engineering Handbook. Berlin, Ernst Publ., 2002, vol. I, pp. 17—50.
7. Frank R., Kovarik J.B. Comparasion des niveaux de modele pour la resistance ultime des pieux sous charges axiales. Revue Francaise de Geotechnique. 2005, 110, pp. 12—25.
8. Belyi L.D. Osnovy teorii inzhenerno-geologicheskogo kartirovaniya [Fundamentals of the Theory of Engineering Geological Mapping]. Moscow, Nauka Publ., 1964.
About the author: Chernyshev Sergey Nikolaevich — Doctor of Geological and Mineral-ogical Sciences, Professor, Professor, Department of Engineering Geology and Geo-ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoye shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; 9581148@list.ru.
For citation: Chernyshev S.N. Printsipy klassifikatsii gruntovykh massivov dlya stroitel'stva [Principles of Classification of Soil Masses for Construction Purposes]. Vest-nik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 41—46.
