Районирование территорий, сложенных слабыми грунтами, для строительства линейных сооружений Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 Геология Вып. 4(21)

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ, МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ И ГРУНТОВЕДЕНИЕ

УДК 624.152.612

Районирование территорий,

сложенных слабыми грунтами,

для строительства линейных сооружений

Я.В. Айзель, Д.М. Димухаметов

Пермский государственный национальный исследовательский университет. 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: nedra@nedra.perm.ru

(Статья поступила в редакцию 18 октября 2013 г.)

На основании выполненных изысканий проведено районирование территории

развития слабых грунтов, рассчитаны характеристики осадок и времени консолидации, разработаны рекомендации по инженерной подготовке.

Ключевые слова: торф, время консолидации, конечная осадка, районирование.

В настоящее время ведется активное строительство объектов как в Пермском регионе, так и в Западной и Восточной Сибири, где широко распространены слабые грунты. Кроме того, при расширении городов практически нет возможности выбрать пригодную для строительства территорию, в связи с чем возникает необходимость улучшить строительные свойства участков с развитием слабых грунтов.

Специфические свойства территорий, занятых слабыми грунтами, вынуждают проводить их техническую мелиорацию, чтобы создавать условия для строительно-монтажных работ, прокладки дорог, инженерных коммуникаций, возведения зданий и сооружений на заболоченных землях.

К слабым грунтам относится торф. Это органический грунт, представляющий собой волокнистый материал, который образовался в результате разложения под водой отмерших растений и отличается очень большой сжимаемостью. Для торфа

в его естественном состоянии характерна высокая влажность - 86-95 %. Нередко его линзы встречаются в аллювиальных грунтах, и тогда на этих участках могут возникнуть неравномерные осадки, которые приводят к разрушению сооружений (рис. Г)[1].

Рис. 1. Провал автодорожног! насыпи на Зыряноеском нефтяном месторождении

Из методов подготовки районов распространения слабых грунтов применяются: предпостроечное осушение торфяных

© Айзель Я.В., Димухаметов Д.М., 2013

грунтов, предварительное уплотнение, замена слабых торфяных грунтов и полное удаление торфа, физико-химические методы технической мелиорации торфяных отложений, а также комбинация перечисленных методов. Применение того или иного метода инженерной подготовки заторфованных территорий под застройку должно быть в каждом конкретном случае научно обоснованным и практически проверенным. Без учета характера застройки, темпов и очередности строительства, характеристики физикомеханических свойств торфяной залежи, ее вида любой метод может оказаться малоэффективным и экономически невыгодным [3]. Поэтому для выбора оптимального метода подготовки территорий

следует проводить инженерно-геологическое районирование.

В 2010 г. ООО НИППППД «Недра» проводились инженерные изыскания по объекту «Строительство и обустройство поисково-разведочных скважин Зырянской структуры» для проектирования буровой площадки, пункта налива, трасс автодорог, нефтегазосборного коллектора и ВЛ 6 кВ.

Участок исследований расположен в прибрежной заболоченной и залесенной части территории, подчиненной г. Березники. В геоморфологическом отношении представляет собой пологую заболоченную равнину в левобережной части Камского водохранилища (рис. 2).

Рис.2. Ситуационный план участка изысканий

Г еологическое строение территории характеризуется развитием четвертичных отложений, представленных аллювиальными биогенными и аллювиальными отложениями.

Техногенные отложения (іОц), Представлены слежавшимся насыпным грунтом, состоящим из супеси дресвяной, местами суглинком дресвяным, мощностью 1,0-1,8 м.

Биогенные отложения (аЬОіу). Представлены илом супесчаным мощностью 0,4-0,7 м и торфом дресвяно-травяным, сильноразложившимся и нормально-

зольным, насыщенным водой, мощностью

0,2-6,3 м.

Аллювиальные отложения (аОц ). Представлены глиной мягкопластичной мощностью 0,3-4,0 м; песком средней крупности мощностью 0,8-9,7 м; песком мелким средней плотности, вскрытой мощностью 0,5-9,3 м; суглинком мягкопластичным вскрытой мощностью 0,5-1,9 м.

Основным осложняющим фактором для проектирования линейных и площадных сооружений является наличие толщи слабых органических и органоминеральных грунтов, мощность которых достига-

ет 6,3 м. В связи с этим для оценки условий проектирования и выбора методов подготовки территории для строительства автодорог было проведено крупномас-

штабное районирование территории. Показатели физико-механических свойств торфов приведены в табл. 1.

Биогенные отложения

Ил супесчаный

">> ''М

пегт/лтлґ

торф

Аллювиальные отложения

Суглинок

мягкопластичный

Песок средней крупности

Глина

мягкопластичная Песок мелкий

Рис. 3. Геолого-литологический разрез участка изысканных трасс

Таблица 1. Показатели физико-механических свойств торфов

Характеристика грунта Количество определений Интервал значений Нормативное значение

Природная влажность, д.ед. 33 3,254-5,776 4,305

Плотность, г/см’ 31 0,92-1,31 1,04

Плотность частиц грунта, г/см ’ 31 1,10-1,66 1,25

Плотность сухого грунта, г/см’ 31 0,14-0,26 0,20

Пористость, % 31 79,78-89,00 84,05

Коэффициент пористости 31 3,946-8,091 5,393

Коэффициент во до нас ы щс н ия, д. ед. 31 0,884-1,00 0,979

Относительное содержание органических веществ, д.ед. 33 0,52-0,93 0,82

Зольность, % 25 8 6-18 21-36 11

Степень разложения, % 7 26 30-44 48-80 57

Удельное сцепление, кПа 115 11-37 26

Модуль деформации, МПа 30 0,09-0,38 0,15

Первоначальная оценка устойчивости основания предусматривает проверку прочности в наиболее опасной по напряженным состояниям точке основания [11].

Коэффициент безопасности зависит от сцепления, угла внутреннего трения грунта, расчетной высоты насыпи и ее конечной осадки. В зависимости от полученных значений определяются тип основания и

необходимость дополнительных мероприятий для обеспечения его устойчивости основания.

Следующим этапом исследований является инженерно-геологическое районирование, под которым понимается разделение исследуемой территории на соподчиненные таксономические элементы, характеризуемые внутренней общностью и

внешними различиями инженерно-геоло-гических условий [8].

Районирование необходимо начинать с постановки задачи, поскольку от этого зависит выбор классификационного показателя Кр и его граничных значений, а также выбор модели районирования. Построение концептуальной модели «геологическая среда - сооружение» включает набор геологических признаков, оказывающих существенное влияние на устойчивость рассматриваемого сооружения. С учетом специфик решаемых задач и набором исходных данных выбрана методика, основанная на балльной (экспертной) оценке классификационного признака.

Анализ концептуальной системы «торфяное основание - сооружение» показывает, что выбор оптимального метода подготовки основания во многом определяется мощностью торфа. Именно этот критерий можно рассматривать как основной для районирования территорий. В качестве дополнительного критерия использована длительность (время) его консолидации при возведении насыпи. Следует отметить, что данный критерий, во многом связанный с мощностью торфов, отражает сроки подготовки и строительства сооружений, позволяет разработать мероприятия по их сокращению и ком-плексированию.

Согласно М.П. Лысенко [4], осадка торфа зависит от таких факторов, как мощность торфа, его состав, влажность, консистенция, степень разложения. Она зависит также от свойств грунтов дна болота, величины и длительности нагрузки.

Расчет конечной осадки толщи слабых грунтов в зависимости от их мощности и толщины пригрузочного слоя произведен с учетом дополнительного давления от транспорта и без него. Значения осадок могут колебаться от 0,1 до 0,2 м при мощности слабого слоя соответственно 0,5 м и насыпи от 1,5-3,5 до 0,2 м при мощности насыпи 3,5-5,0 м и до 1,5-2,6 м при мощности слабой толщи 5,0-7,0 м и соответствующей мощности насыпи.

Время для степени консолидации 90 и 99 % и мощностей сжимаемой толщи 0,5-6,0 м рассчитано с шагом в 0,5 м. По результатам расчетов видно, что в течение 6 месяцев осадки толщи торфяных грунтов под намывной толщей песчаных грунтов стабилизируются. Длительной консолидации подвержены только участки с мощностью торфов 1,5 м и более.

По данным расчетов на исследуемой территории прогнозируемое время уплотнения слабого основания различно для разных мощностей. Так, для участков со слоем торфа в 0,5 м время для консолидации 90 % составляет всего 1 месяц, а для участков с мощностью торфа в 6,5 м -108 месяцев (9 лет).

После выбора критериев районирования каждому из них присвоены весовые коэффициенты (в баллах) в зависимости от степени влияния на устойчивость сооружения. При установлении значимости и очередности признаков в случае использования многоступенчатых схем районирования на первых ступенях предпочтение всегда следует отдавать тем признакам, которые коррелируют с наибольшим числом отдельных компонентов инженер-но-геологических условий, изменение которых особенно резко сказывается на всей обстановке.

Граничные значения классификационных показателей рассчитываются с учетом качественного изменения объектов исследований, минимальных и максимальных значений на исследуемом участке.

После проведения количественной оценки и ранжирования ведущих геологических признаков рассчитан интегральный классификационный показатель Кр, для которого определены граничные значения и выделяются таксоны, а затем составлена модель инженерно-геологичес-кого районирования. На основании данной оценки всем признакам были присвоены весовые коэффициенты в баллах (табл. 2).

Итогом исследований является схема районирования территории проектируемых сооружений с описанием таксонов и реко-

мендациями по инженерной подготовке с мени их консолидации и ряда дополни-учетом мощности торфов, степени и вре- тельных расчетных показателей (рис. 4).

Таблица 2. Модель инженерно-геологического районирования

Признак Балльная оценка компонентов признака

Наименование Индекс Ранг 1 2 3

Время консолидации, месяц А 1 Время консолидации, месяц

быстрая средней длительности длительная

<23 23-64 >64

Мощность слабого слоя, м Б 2 Мощность, м

небольшая средняя большая

<3 3-5 >5

Схема районирования территории

Рис. 4. Схема районирования территории

На участке исследований выделены 3 таксономические единицы и проведено их описание

Таксон I. Характерные граничные условия менее 6 баллов. На этих участках мощность слабого, сильно сжимаемого грунта изменяется в пределах 0,4-2,9 м. Средняя мощность торфа на участке -1,7 м. Средняя осадка составляет 0,5 м. Необходимое время для консолидации грунта - в среднем 8,5 месяцев, а требуемая средняя мощность намывного слоя -

3,2 м. Для данного таксона рекомендуется

такой способ подготовки территории, как полное удаление торфа и замена его минеральным грунтом.

Таксон II. Характерные граничные условия 6-8 баллов. На этих участках мощность торфа в пределах 3-4,9 м. Средняя мощность торфа на участке -3,9 м. Средняя осадка составляет 1,3 м. Длительность консолидации торфа составляет в среднем 39 месяцев, а требуемая мощность намывного слоя - 4,4 м. На таких участках оптимальным методом подготовки территории будет пригруже-

ние торфа насыпью с устройством дренажной системы в целях сокращения длительности его уплотнения или частичная выторфовка.

Таксон III. Характерные граничные условия более 8 баллов. На этих участках мощность слабого сильно сжимаемого грунта 5-6,8 м. Средняя мощность торфа на участке - 5,5 м. Средняя осадка составляет 2 м. Необходимое время для консолидации грунта - в среднем 76 месяцев, а требуемая мощность намывного слоя -

5,3 м. Подготовка таких участков для строительства заключается в пригрузке торфа большой мощностью намывного слоя. Чтобы сократить время консолидации торфа, необходимо использовать комбинацию известных методов - при-гружение насыпью с устройством дренажной системы, частичное выторфовывание верхнего слоя слабого грунта и при-гружение оставшейся его толщи насыпью до планировочных отметок с учетом прогнозируемых осадок.

Библиографический список

1. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат, 1971. 368 с.

2. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии). 2-е изд. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. 415 с.

3. Димухаметов М.Ш., Димухаметов ДМ. Методика инженерно-геологической оценки слабых грунтов. Пермь, 2010. 145 с.

4. Лысенко М.П. Состав и физико-механические свойства грунтов. 2-е изд. М.: Недра, 1980. 272 с.

5. Морарескул Н.Н. Основания и фундаменты в торфяных грунтах. Л.: Стройиздат, 1979. 80 с.

6. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). М.: ФГУП «Информавтодор», 2004.

7. Пушкарева М.В., Середин В.В., Лейбо-вичЛ.О., Чиркова А.А., Бахарев А.О. Корректировка границ зон санитарной охраны

Вывод

Проведение районирования территорий развития специфических грунтов на основании необходимого объема инже-нерно-геологической информации позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант размещения сооружений, определить необходимый комплекс мероприятий по инженерной подготовке территории и спрогнозировать затраты на ее проведение. По мнению авторов, важно комплек-сирование методов районирования по одному или нескольким критериям с дополнительными расчетами деформаций полотна, времени консолидации, конечных осадок и прогноза свойств грунтов после инженерной подготовки в пределах выделенных таксонов, поскольку это дает возможность провести количественную оценку инженерно-геологических условий.

(ЗСО) питьевого водозабора // Здоровье населения и среда обитания. 2011. №8. С.10-12.

8. Середин В.В., Галкин В.П., Пушкарева М.В., Лейбович Л.О., Сметанин С.Н. Вероятностно-статистическая оценка инженерно-геологических условий для специального районирования // Инженерная геология. 2011. № 4. 64 с.

9. Середин В.В., Галкин В.И., Растегаев А.В., Лейбович Л.О., Пушкарева М.В. Прогнозирование карстовой опасности при инженерно-геологическом районировании территорий // Там же. 2012. № 2. С. 40-45.

10. Середин В.В., Пушкарева М.В., Лейбович Л.О., Бахарева Н.С. Методика инженерногеологического районирования на основе балльной оценки классификационного признака // Там же. 2011. № 3. 82 с.

11. Справочник по инженерной геологии / под общей ред. М.В. Чуринова. М.: Недра, 1968. 540 с.

12. Справочник по торфу / под ред. Б.Н. Соколова. М.: Недра, 1982. 760 с.

Zoning of the Areas Composed of Soft Soils for the Construction of Line Structures

Y.W. Aizel, D.M. Dimuhametov

Perm State National Research University. 614990, Perm, Bukirev St., 15 E-mail: nedra@nedra.perm.ru

Based on engineering surveys the zoning of the areas composed of soft soils is worked out. The sediment characteristics and the time of consolidation are calculated. Recommendations for engineering preparation are worked out.

Key words: peat, time of consolidation, final sediment, zoning.

Рецензент - доктор геолого-минералогических наук В.В. Середин