Инженерно-геологические условия строительства на коренных глинах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Инженерно-геологические условия строительства на коренных глинах

Пономарева Татьяна Владимировна¹, Кошкина Наталия Викторовна²,

Хрянина Ольга Викторовна³

¹Пензенский государственный университет архитектуры и

строительства, магистрант кафедры геотехники и дорожного

строительства, ²Пензенский государственный университет архитектуры

и строительства, кандидат геолого-минералогических наук, доцент

кафедры геотехники и дорожного строительства, ³Пензенский

государственный университет архитектуры и строительства, кандидат

технических наук, доцент кафедры геотехники и дорожного

строительства

Аннотация

В статье рассмотрены инженерно-геологические показатели и условия строительства на глинах мергельно-меловой формации.

Ключевые слова: верхнемеловые отложения, водоупор, деформируемость, мергелистые глины, мергельно-меловая формация, морские глины, основание, показатели инженерно-геологических свойств, прочность

По схеме инженерно-геологического районирования Пензенская область входит в пределы Приволжского поднятия. Инженерно-геологические условия региона определяют породы мезозоя и кайнозоя.

В районе г. Пензы и к северу в бассейне р. Суры основаниями для сооружений являются грунты мергельно-меловой формации верхнемелового возраста. Они представлены глауконитово-меловыми и мергельно-меловыми породами [1].

Терригенные образования верхнего маастрихта характеризуются чередованием супесей, суглинков, глин с прослоями кварцево-глауконитового песчаника. Супеси зеленовато-серые, слюдистые, известковистые, мелкопесчаные, слоистые. Суглинки также зеленовато-серые слюдистые, известковистые, опесчаненные. Глины зеленовато-серые опесчаненные, слюдистые, известковистые. Вся толща слабо ожелезнена за счет разложения глауконитов.

Отложения меловой и терригенной формации с поверхности значительно выветрелые, трещиноватые, причем зоны элювия достигают мощности от 1,5 до 6,0 м, частично разрушены, нередко встречаются по склонам в виде щебенки, дресвы с песчано-глинистым заполнителем.

Во влажном состоянии глины имеют синевато-зеленоватый оттенок - результат влияния глауконита. При увлажнении этот силикат разлагается, обладая повышенной активностью к катионному обмену, вступает во взаимодействие с солями воды и тем самым способствует разрушению структуры грунтов. Деформативные и прочностные свойства грунтов в присутствии глауконита, резко снижаются [2].

Физико-технические характеристики для глинистых пород мергельно-меловой формации приведены в монографии [3]. По нашим данным, они наиболее близко отвечают именно глинам нижней толщи, вскрываемым на абсолютных отметках 110ч130 м.

Таблица 1. Сравнительный анализ физических показателей глинистых пород мергельно-меловой формации по литературным данным [3, табл. 89] и лабораторным исследованиям [4, 5]

где: n - количество определений; Х - среднее арифметическое значение; ±S - среднеквадратические отклонения величин характеристик.

Большим приближением значений к литературным характеризуются средние арифметические плотности сухого грунта (для средней зоны 1,32), числа пластичности для средней и верхней зон соответственно 0,28 и 0,34.

Песчанистые терригенные глины и суглинки верхнего маастрихта характеризуются числом пластичности 0,32 для глин и 0,13 для суглинков. Суглинки и глины встречаются различной консистенции, от туго- до мягкопластичной, редко полутвердой. Консистенция зависит от увлажнения: в зоне аэрации полутвердые разности, в зоне водонасыщения - пластичные.

Мергелистые глины нижнего маастрихта высокодисперсные с числом пластичностью 0,35, твердой и тугопластичной консистенции, с влажностью, уменьшающейся с глубиной, по мере удаления от водоносного горизонта.

Мергелистые глины для водоносного горизонта нижней терригенной пачки маастрихта являются водоупором для комплекса грунтовых вод, водовмещающими для которых являются аллювиальные, элювиальные отложения и грунты верхней, терригенной пачки маастрихта. Воды гидрокарбонатные кальциево - магниевые, пресные и неагрессивные.

В основании склонов, на глубинах 6-8 м, на уровне кровли мергелистых глин выходят родники, довольно водообильные. Постоянные водоносные горизонты ослабляют породы склонов гидростатическим и гидродинамическим воздействием. Различия в составе, состоянии, фильтрационных особенностях меловых отложений верхней и нижней пачек маастрихта, легкая размываемость пород, залегающих в средней части и в основании склонов определяют слабую устойчивость морских глин.

При сохранении на глинах естественного покрытия из отложений палеогена, четвертичного аллювия, делювиально-элювиальных образований морские глины являются хорошими основаниями для сооружений и выдерживают нагрузки от сооружений значительного веса. Однако когда глины выходят непосредственно на земную поверхность или вскрываются котлованами, происходит их глубокое преобразование за счет процессов выветривания, они превращаются в раздробленную, нередко скорлуповатую, а при увлажнении в размягченную массу, очень рыхлую, текучую, неустойчивую на склонах и откосах. Подобное явление можно наблюдать в пределах плато Западная Поляна [6], в бортах оврага «Балка Проломная» (в 400 метрах от ул. Ленинградской, к западу, вдоль ул. Мира), в овражке у котельной, по склонам долин рек и оврагов по всему Пензенскому региону [7]. В свежей техногенной борозде в верховьях оврага «Промоина» вскрыты темно-серые мергелистые глины массивной текстуры, прочные, невыветрелые. В старых оврагах по склонам местами наблюдаются осыпи в виде плиток, щебня и дресвы тех же глин. При водонасыщении осыпь превращается в грязевую массу, оплывает. При расчистке склонов зона дробления сменяется трещиноватой глыбовой зоной выветривания.

Ослабленные зоны в коренных глинах встречаются и на более низких равнинных участках, например, в Арбеково, где при изысканиях буровыми скважинами местами они были встречены до глубин 12-15 м. Коэффициент пористости с глубиной изменялся от 1,38 до 1,04, при повышении природного давления соответственно от 0,05 МПа на глубине 3 м до 0,25 МПа в зоне 13-14 м.

В приповерхностной части разуплотнение достигает 14% по сравнению с плотностью материнских пород на глубинах в 14 метров. Через трещины разуплотнения на глубину просачивается вода и размягчает породы, удельное сопротивление зонда падает до 1,5 МПа. Испытание грунта штампом площадью 5000 см²свидетельствует о большой деформируемости глин под воздействием нагрузки. Среднее значение модуля деформации составило 3 МПа, что в 8ч10 раз меньше, чем у невыветрелых коренных глин. Разуплотнение ведет к резкому уменьшению прочности.

Ухудшение физико-механических свойств мергелистых глин предопределено условиями их формирования [8] в морской восстановительной среде. Глауконитово-меловые, мергельно-меловые и кремнистые породы образовались в эпиконтинентальном море в условиях теплого климата, богаты силикатом глауконитом и солевыми легко растворимыми веществами. В воде в течение суток глины полностью размокают. В трещиноватых разностях возможно даже развитие глиняного карста. Мергелистые породы богаты монтмориллонитом и способны к набуханию, что, с одной стороны, имеет положительное значение, так как способствует заполнению трещин. глина мергелистый грунт фундамент

Минералогический состав глинистых пород: монтмориллонит, гидрослюды, глауконит, мусковит. Цементация углекислыми и сернокислыми солями кальция, уплотнение под давлением вышележащих толщ палеогеновых пород, которые сохранились в пределах реликтовых плато (например, Западная Поляна в г. Пензе) определили значительную плотность коренных глин и использование их в качестве оснований сооружений.

По результатам испытаний глин и суглинков мелового возраста (сдвиг по 4-м схемам) грунты маастрихта можно охарактеризовать следующим образом (табл. 2).

Таблица 2. Прочностные показатели глинистых грунтов маастрихта

В литературе ориентировочные расчетные показатели мергелистых глин даются при оценке их устойчивости на сдвиг [9]. Так, коэффициент сдвига при нормальном давлении 0,1 МПа составляет более 1,1, коэффициент сжимаемости для глин изменяется от 0,0007 до 0,0004 МПа, для мергелей - от 0,0004 до 0,0002 МПа, временное сопротивление раздавливанию достигает 1,5ч3,0 МПа у глин и 3,0ч5,0 МПа для мергелей.

Деформационные и прочностные свойства для морских глин города Пензы определялись значительно реже, чем простейшие физические характеристики. Средние значения подсчитаны нами по 50 опытам, включая всю толщу глин полностью (табл.3).

Таблица 3. Показатели механических свойств мергелистых глин верхнего мела г. Пенза

Как видно из таблицы 3, модуль общей деформации в интервале нагрузок 0,1ч0,3 МПа составляет 3,5 МПа. Учитывая коэффициент перехода к данным в полевых условиях, принятый по г. Пензе, получим модуль общей деформации 

Е_общ = Е_компр•m = 22 МПа.

Скорость деформаций образцов уменьшается с ростом вертикальной нагрузки. Компрессионные испытания морских глин в водонасыщенном состоянии при нормальном давлении 0,3 МПа показали осадку образцов примерно 1,0 мм на 25 мм высоты опытного образца, т.е. модуль осадки составил 40 мм/м.

Степень уплотнения по мере увеличения нормального давления наибольшая в интервале 0,1ч0,2 МПа, при дальнейшем увеличении ступеней нагрузок уменьшение высоты образца становится несколько меньшим:

0,05 МПа - 0,188 мм;

0,1 МПа - 0,375 мм ? прирост 0,187 мм;

0,2 МПа - 0,692 мм ? прирост 0,317 мм;

0,3 МПа - 0,917 мм ?прирост 0,225 мм.

Прочностные свойства морских глин, как слагающих склоны, определялись по четырем схемам: в естественном сложении без уплотнения; без замачивания по подготовленной плоскости - метод «плашек»; с водонасыщением по подготовленной плоскости метод «плашек» с водой; с уплотнением и промачиванием.

Максимальную прочность глины проявляют в естественном состоянии, как за счет удельного сцепления, так и внутреннего трения. При уплотнении с промачиванием повышение значений идет лишь за счет удельного сцепления. Для выветрелых грунтов в основании склонов рекомендована схема сдвига по подготовленной плоскости, путем сравнения данных с испытанием образца в естественном состоянии, определялось структурное сцепление С_стр.

Граница коренных материнских пород хорошо фиксируется методами статического и динамического зондирования: в глинах аллювия значения сопротивления грунта зонду невелики, по всей толще до 2 МПа, в элювии наблюдается заметное нарастание сопротивления грунта вдавливанию зонда с глубиной, от 2 до 6 МПа. В коренных морских глинах нарастание сопротивления по острию зонда то же, что и для элювия, но по боковой поверхности оно в коренных глинах становится постоянным. Если элювий отсутствует, то на границе с коренными глинами отмечается очень резкий переход к повышенным значениям сопротивления до 6ч10 МПа [10]. Ha одних и тех же абсолютных отметках, по глубине 5ч6 м -- сопротивление вдавливанию примерно одинаково, от 430 до 570 единиц.

Прочностные показатели мергелистых глин при испытаниях образцов ненарушенной структуры в сдвиговых приборах составляют: сцепление 0,056 МПа, угол внутреннего трения 29^о; при уплотнении и замачивании структурная прочность составляет 0,50 МПа, а угол внутреннего трения 20^о, сцепление закономерно уменьшается с увеличением коэффициента пористости. Последующее увлажнение по открывшимся трещинам при просачивании вдоль боковой поверхности свай местами привело к набуханию, а присутствие глауконита с его высокой способностью к обмену катионами со средой усугубило нарушение структуры глин и способствовало увеличению сжимаемости. В условиях переменного увлажнения и высыхания, особенно в открытых котлованах, канавах, деформации набухания сменяются деформациями усадки, т.е. уменьшением объема, растрескиванием, вызывающим деформации фундамента, особенно при тепловом воздействии сооружений (вдоль вентканалов, труб отопления и т.д.) [11].

При забивке свай происходит размятие глин, влага с поверхности поступает через пазухи между грунтом и конструкциями, при дополнительном обводнении, даже при условии высокого природного водонасыщения морских глин (степень влажности более или равна 0,8), растут силы набухания, давление набухания до 0,15ч0,40 МПа, что вызывает выпор свай. Иногда при вскрытии котлованами мергелистых глин происходит выпор дна котлованов и траншей, разуплотнение, увлажнение и размятие, особенно при незначительной нагрузке от зданий малой этажности.

Изыскатели,проектировщики и строители считают верхнемеловые коренные морские глины маастрихта Пензенского региона надежным основанием для любых типов фундаментов. Однако, при проектировании и строительстве на мергелистых глинах маастрихта в г. Пензе следует учитывать их специфические особенности:

1. существование зоны разуплотнения в верхней части толщи, до 5ч10 метров глубины;

2. размягчение, набухание при увлажнении и усадку при высыхании глинистых грунтов ослабленных зон;

3. недопустимо затягивание сроков «нулевого цикла», особенно в осенне-зимний период, при стоянии котлованов

4. открытыми, даже до нескольких суток.

С целью сокращения времени и затрат на инженерно-геологические изыскания в процессе строительного производства в Пензенском регионе для мергелистых глин составлена обобщенная характеристика и рассчитаны средние региональные значения показателей инженерно-геологических свойств. Экономическая эффективность от систематизации и обобщения фондовых материалов при использовании для морских глин средних значений, отказ от дополнительных исследований грунтов оснований может составить до 15% от общих затрат на инженерно-геологические изыскания [12].

Коренные склоны, сложенные меловыми породами, находятся в состоянии, близком равновесному. Поэтому при распределении равномерной нагрузки до 0,2 МПа возможно строительство при расположении объектов на расстоянии не менее 12ч15 м от бровки склона, при условии перехвата водоносных горизонтов дренажными галереями, устройства подпорных стенок и применения свай с опиранием в коренные морские глины, не затронутые процессами выветривания.

В коренных породах, ослабленных внешним воздействием, возникают условия, благоприятные для развития суффозии, оплывин, оползней, особенно по оврагам и при создании дополнительной пригрузки склонов при застройке, сбросе отработанных вод в овраги, при прорыве подземных коммуникаций, вскрытии подошвы терригенной пачки при размыве пород в оврагах и по склонам в периоды снеготаяния и ливневых дождей.

На склонах оврагов появляются глубокие циркообразные оползни, на пологих склонах водоразделов ? мелкие, фронтально располагающиеся по всей длине склона, по 2ч3 м шириной блоки, сползающие к подножию. Залегая на открытом воздухе, при попеременном высыхании и увлажнении, мергелистые глины растрескиваются и распадаются на мелкие угловатые плиточки, дресву, из которой оформляются осыпи.

Оплывины и солифлюкционные смещения, зигзагообразные формы бровки отрыва осложняют склоны. Водонасыщенный делювий на коренных породах также сползает по наклонной размытой поверхности. Нередко эти процессы приостанавливаются в своем развитии, на могут возобновится при дополнительной нагрузке во время строительных работ или при механическом воздействии механизмов, движущегося транспорта.

Район развития мергелистых глин является условно благоприятным для освоения и требует значительных затрат на инженерную подготовку. Несущими слоями служат как элювиальные глины тугопластичные, по удельному сопротивлению пенетрации очень прочные и глины коренные, полутвердые, очень и очень прочные и однородные по прочности, что подтверждают изолинии значений предельного сопротивления грунта сваям, построенные по данным пенетрации.

Библиографический список

1. Горынин А.С., Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Геология и инженерно-геологические условия строительства на коренных глинах Поволжья // Вестник магистратуры. Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2014. №11(38). Том 1. С.42-45. ISSN 2223-4047.

2. Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Минеральные пигменты Пензенского региона // Архитектура и современность: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2006. С. 77-81.

3. Инженерная геология СССР. [под ред. И.С. Комарова]. М.: Изд-во МГУ, 1978. Т.1: Русская платформа. 528 с.

4. Гуленина Н.К. Инженерно-геологические исследования на площадке строительства домов в м/р-не 12 пос. Арбеково в г. Пенза: отчет Пензенского треста инженерно-строительных изысканий. Пенза, 1975.

5. Клинкова А.П. Устойчивость склонов Западнополянской возвышенности: отчет Пензенского треста инженерно-строительных изысканий. Пенза, 1973.

6. Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Инженерно-геологические условия северной оконечности плато Западная Поляна (г. Пенза, долина руч. Кашаевки) // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2011. С.167-178.

7. Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Инженерно-геологические условия застройки склонов Западнополянского плато // Актуальные проблемы современного строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 153-157.

8. Хрянина О.В. Природа физико-механических свойств глинистых грунтов территории застройки г. Пензы // Геотехника-99: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во ПДЗ, 1999. С. 144?147.

9. Приклонский В.А. Грунтоведение. Госгеолтехиздат, 1955. Ч.II.

10. Болдырев Г.Г., Хрянина О.В. Методы полевых испытаний грунтов. Часть V. Испытания плоским зондом // Инженерные изыскания. 2011. №7. С. 32?40.

11. Кошкина Н.В., Хрянина О.В., Горынин А.С. Деформации сооружений и причины, влияющие на их возникновение на примере коренного плато // Вопросы планировки и застройки городов: материалы XXXV Всероссийской, XX Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С.127-129. ISBN 978-5-9282-0598-0.

12. Горынин А.С., Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Значение инженерно-геологических изысканий в процессе проектирования на современном этапе // Вестник магистратуры. Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2014. №11(38). Том 1. С.45-49. ISSN 2223-4047.

Размещено на Allbest.ru