Проблемы определения величины деформации полускальных нижнепермских грунтов

Крупные структуры: Т - Тиманский кряж; ВВ - Вычегодская впадина; КС - Камский свод; ВисВ - Висимская впадина; ВКВ - Верхнекамская впадина; РакС - Ракшинская седловина; ПС - Пермский свод; ВПД - Верхнепечорская депрессия; КолС - Колвинская седловина; СолД - Соликамская депрессия; КЧС - Косьвинско-Чусовская седловина; ЮСД - Юрюзано-Сылвинская депрессия; ПСУ - передовые складки Урала, БС - Башкирский свод; БКВ - Бымско-Кунгурская впадина

Средние структуры: I - Краснокамский вал; II - Лобановская валообразная зона; III - Межевская валообразная зона; IV - Воскресенский вал

Мелкие структуры: 1 - Команятская; 2 - Русаковская; 3 - Зубовская; 4 - Шеметинская; 5 - Пионерская; 6 - Полазнинская; 7 - Демидковская; 8 - Межевская; 9 - Южно-Межевская; 10 - Талицкая; 11 - Кузнецовская; 12 - Зоринская; 13 -Хохловская; 14 - Скобелевская; 15 - Гайвинская; 16 - Северокамская; 17 - Кизимская; 18 - Оверятская; 19 - Краснокамская; 20 - Марчуговская; 21 - Нытвинская; 22 - Островная; 23 - Лобановская; 24 - Козубаевская; 25 - Пермская

4. Гидрогеологические условия

Равнинная часть Пермского края входит в состав восточной окраины Волго-Камского многопластового артезианского бассейна. Район исследования -- г.Пермь расположен в пределах Камской гидрогеологической области. Со слагающими район различными по возрасту и литологическому составу породами связаны подземные воды нескольких типов. В рыхлых отложениях развиты обычно поровые грунтовые воды, характеризующиеся небольшой глубиной залегания, отсутствием напора, легкой загрязняемостью.

В коренных песчано-глинистых породах верхней, затронутой выветриванием, части разреза распространены субнапорные трещинно-грунтовые воды. В более глубоких частях разреза развиты напорные воды: порово-пластовые, трещинно-пластовые и карстовые. По условиям взаимосвязи с земной поверхностью водоносные подразделения разделяются на два гидрогеодинамических этажа: верхний и нижний.

Нижний этаж объединяет гидрогеологические подразделения, которые практически утратили связь с поверхностью и характеризуются застойным режимом; в них распространены соленые воды и рассолы. Описание гидрогеологических подразделений производится в стратиграфической последовательности сверху вниз. Верхний гидрогеодинамический этаж - воды аллювиальных отложений широко используются для водоснабжения населенных пунктов, расположенных в долинах рек. Водоносная иренская карбонатно-сульфатная серия развита только в местах выхода иренских пород на земную поверхность или при неглубоком их залегании от поверхности; с погружением пород под более молодые отложения они становятся водоупором. Водоносная серия содержит безнапорные трещинно-карстовые воды, циркулирующие по карстовым полостям в толще карстующихся пород. Различная степень трещиноватости и закарстованности пород определяет сильную изменчивость их фильтрационных свойств.

Наибольшая водообильность пород серии наблюдается в зонах интенсивной трещиноватости, где активно идут процессы карстования. Дебиты родников варьируют от 0,1 до 200 л/с (преобладают 0,1--3,0 л/с), дебиты скважин -- от 0,1 до 18,3 л/с. По химическому составу подземные воды серии преимущественно сульфатные кальциевые с высокой минерализацией (до 2,3 г/дм3). На участках, где воды связаны с карбонатными породами, они имеют сульфатно-гидрокарбонатный состав с минерализацией менее 1,0 г/дм3. На более глубоких горизонтах скважинами вскрываются сульфатно-хлоридные и хлоридные натриевые воды с минерализацией до 4,1 г/дм3. Ниже местных эрозионных врезов распространены напорные трещинно-пластовые воды. На небольших глубинах преобладают пресные гидрокарбонатные магниево-кальциевые и гидрокарбонатные кальциево-натриевые воды с минерализацией до 0,5 г/дм3. С глубиной минерализация вод увеличивается до 4,5 г/дм3, появляются сульфатные (хлоридно-сульфатные, сульфатно-хлоридные) натриево-кальциевые, кальциево-натриевые и натриевые воды. Трещинно-карстовые воды питаются дождевыми и талыми водами, в некоторых местах они подпитываются водами соликамского горизонта и речными водами. В районе исследования встречаются все виды разгрузки подземных вод серии: родниковая, субаквальная (на дне рек и озер) и подземная (в другие водоносные отложения). Нижний гидрогеодинамический этаж . Исходя из особенностей геологического строения и гидрогеологических условий в зоне активного водообмена в пределах территории г.Перми выделяются следующие гидрогеологические подразделения: - водоносный локально-слабоводоносный аллювиальный горизонт, объединяющий аллювиальные отложения поймы, I аккумулятивной, II и III эрозионно-аккумулятивных террас р. Камы; - проницаемый локально-слабоводоносный горизонт аллювиально-делювиальных и покровных отложений IV надпойменной террасы и высокой равнины; - шешминский терригенный слабоводоносный локально-водоносный комплекс; - соликамская терригенно-карбонатная водоносная свита, которая подразделяется на 2 подсвиты: нижнюю - водопроницаемую локально-водоносную терригенно-карбонатную, верхнюю - водоносную терригенно-карбонатную. Довольно часто в четвертичных отложениях формируются техногенные водоносные горизонты и верховодка, происхождение которой чаще всего также имеет техногенный характер.

Водоносный локально-слабоводоносный четвертичный аллювиальный горизонт вскрывается скважинами на глубине от менее 2 м до 10-15 м и более. В большинстве случаев подземные воды вскрываются в интервале 0-5 м.

Мощность водоносного горизонта обычно на пойме и низких терраса составляет 10-20 м, на III террасе 5-10 м.

Горизонт характеризуется присутствием пластов и линз гравия и галечника в основании разреза и разнозернистых песков с прослоями и линзами супесей и суглинков в его верхней части. Коэффициент фильтрации для мелких песков изменяется от 0,1 до 9,8 м/сут., средних - от 3 до 18,5 м/сут. (Костарев и др., 1985 г.). Для песчано-гравийно-галечных отложений значения коэффициента фильтрации в основном составляет 20-50 м/сут, редко менее. В целом отмечаются более низкие значения коэффициента фильтрации для левобережной части исследуемой территории. На пойме и низких террасах прослеживается четкая гидравлическая связь аллювиального горизонта с р. Камой.

Ширина зоны влияния режима водохранилища на колебаниях уровня подземных вод зависит от литологического состава прибрежной полосы и степени наполнения водохранилища. Это влияние сказывается на расстоянии от 110 до 350 м., захватывая в основном пойму и I надпойменную террасу, иногда II террасу (Курья, Закамск). По водообильности аллювиальный горизонт неоднороден. Производительность скважин варьирует от менее 0,5 л/с (долина р. Ласьвы) до 2-3 л/с и более (В. Курья, Закамск) при понижениях уровня в основном в пределах 1-5 м. Дебиты родников колеблются от сотых долей до нескольких литров в секунду (пластовые выходы). Основным источником питания горизонта являются атмосферные осадки, дополнительными - трещинно-грунтовые воды шешминского терригенного комплекса, речные воды р. Камы, а также утечки из коммуникаций и промстоки. Движение грунтовых вод происходит от тылового шва II и III террас к р. Каме.

Проницаемый локально-слабоводоносный горизонт аллювиально-делювиальных и покровных отложений IV надпойменной террасы и высокой равнины распространен в основном на левобережной восточной части г. Перми, где сосредоточена основная городская и промышленная застройка, а также на правом берегу р. Камы (рис.11), в районе микрорайона Гайва. Разрез горизонта представлен толщей покровных суглинков и глин, обогащенных в нижней части гравийным материалом. На отдельных участках (Висим, Городские Горки) в суглинках встречаются линзы песка мощностью до 1 м. На коренном цоколе, на глубине 5-15 м в виде линз залегают песчано-гравийные отложения мощностью 3-10 м. Поверхность рассматриваемого горизонта расчленена глубокими дренами. Вследствие незначительной мощности горизонта и различной степени дренированности его, в естественных условиях рассматриваемый горизонт является локально-водоносным. Подземные воды приурочены к линзам песка и песчано-гравийных отложений, залегающих среди покровных суглинков, которые на отдельных участках сдренированы и являются безводными. На обводненных территориях подземные воды встречаются на глубине 5-10 м, реже на 3-4 м. Воды, разгружаясь в делювий, часто вызывают сплавы грунтовых масс в верхней части склонов (правобережье р. Егошихи). Локальная обводненность горизонта наблюдается на Городских Горках, в Костарево, на Висиме и Вышке I. В ряде районов в процессе застройки естественная локальная обводненность горизонта нарушается. Это происходит вследствие нарушения дренированности (засыпки дрен) и создания дополнительных источников питания (утечки из трубопроводов и т.п.). В толще слабопроницаемых покровных суглинков формируются техногенные водоносные горизонты, которые, сливаясь с природными водами, обводняют всю толщу четвертичных отложений. В результате на застроенных площадях на глубине от менее 2 до 4 м. подземные воды фиксируется повсеместно. Слабоводоносный локально-водоносный шешминский терригенный комплекс занимает восточную часть левобережья исследуемой территории. Комплекс представлен мощной толщей красноцветных и переслаивающихся в вертикальном разрезе, замещающихся и выклинивающихся по простиранию песчаников, алевролитов, аргиллитов с прослоями и линзами известняков, мергелей. Характерной особенностью разреза является его загипсованность. Водоносные породы (песчаники, конгломераты, алевролиты, известняки) залегают в виде прослоев и линз различной мощности, при этом основными водовмещающими породами являются песчаники. Водоупорными отложениями служат аргиллиты, глинистые алевролиты.

По вертикальному разрезу водоносные слои распределяются неравномерно. Наибольшая их частота отмечается до глубины 60-80 м. Ниже, в связи с затуханием экзогенной трещиноватости, частота водопритоков резко уменьшается. Фильтрационные свойства пород зависят от эффективной трещиноватости. В целом, по данным Е.А. Иконникова (1990 г.), комплекс характеризуется преобладанием коэффициентов фильтрации 10-2 - 10-1 м/сут, которые составляют 72,2% от общего числа определений по материалам пробных откачек из одиночных скважин. В верхней части комплекса повсеместно, выше эрозионного вреза, развиты трещинно-грунтовые воды, трещинно-пластовые безнапорные воды залегают ниже трещинно-грунтовых вод, там, где последние не имеют сплошной водоупорной подошвы. Они распространены выше эрозионного вреза и находятся в условиях активного водообмена. Ниже уровня местных базисов дренирования циркулируют трещинно-пластовые напорные воды. По гидрогеологическим «окнам» эрозионного и тектонического происхождения, а также в местах фациального замещения пород они гидравлически связаны с грунтовыми водами. На этих участках возможна связь и с напорными водами нижележащих отложений. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод изменяется от 5-10 м в долинах рек до 20 м и более на водоразделах. Наибольшая глубина залегания подземных вод (более 20 м) отмечается на междуречье рек Мулянки и Данилихи (микрорайоны Ераничи, Крохалевка, Бахаревка), а также в районе плотины КамГЭС. Меньшие глубины до уровня трещинно-грунтовых вод (5-10 м) зафиксированы в бассейнах рек Ивы и Бол. Мотовилихи, а также в верховьях рек Егошихи и Данилихи. На междуречьях рек Бол. Мотовилиха-Язовая, Язовая-Амбарка (микрорайоны Запруд, Вышка-I, Вышка-II, Чапаева, Камский) подземные воды залегают в интервале 10-20 м. В пределах междуречий глубина до зеркала трещинно-грунтовых вод закономерно возрастает от подошвы склонов к водоразделам. На участках, где имеются «подвешенные» горизонты, связанные с фациальной невыдержанностью шешминских отложений, наблюдается отклонение от этой закономерности. Водообильность комплекса характеризуется дебитами скважин, которые колеблются от 0,1-0,3 до 5-10 л/с и более. Наибольшая водообильность пород отмечается в бассейне нижнего течения р. Васильевки. В целом комплекс является слабообильным, в связи с преобладанием в разрезе пород с низкими фильтрационными свойствами. Основным источником питания подземных вод служат атмосферные осадки, на что указывает зависимость дебита родников от выпадения дождей и весеннего снеготаяния или отсутствия атмосферного питания в зимнее время. Движение трещинно-грунтовых вод происходит от водоразделов к местным дренам (р. Мулянке, Данилихе, Егошихе и др. и к р. Каме).

Соликамская терригенно-карбонатная водоносная свита широко распространена, характеризуется сложными гидрогеологическими условиями и является важной гидростратиграфической единицей Волго-Камского артезианского бассейна. Свита подразделяется на две подсвиты: нижнюю - водопроницаемую локально-водоносную терригенно-карбонатную и верхнюю - водоносную терригенно-карбонатную. Водовмещающими в подсвитах являются известняки, доломиты, мергели, песчаники, алевролиты, водоупорными - аргиллиты и нетрещиноватые разности карбонатных пород. Фильтрационная способность пород невысокая: коэффициенты фильтрации чаще всего равны 1-10 м/сут. Свита является водообильной: дебиты родников достигают до 240 л/с (преобладают дебиты 1-15 л/с), дебиты скважин изменяются от 0,1 до 100 л/с (чаще 4,2-9,6 л/с).

На правобережье Камы под толщей шешминских отложений, на глубинах 130-150 м, в соликамских отложениях циркулируют минерализованные напорные воды. Активность водообмена здесь резко снижается с возрастанием глубины и в направлении падения пластов, что отражается на химизме вод. Питание подземных вод соликамского комплекса осуществляется за счет атмосферных осадков и возможного перетока из вышележащего шешминского комплекса на участках его развития с поверхности. Движение подземных вод происходит от водоразделов к речным долинам, где они разгружаются в виде родников и подрусловым путем (табл.2). Слабоводоносный локально-водоносный шешминский терригенный комплекс и водоносный локально-слабоводоносный четвертичный аллювиальный горизонт являются основными в рассматриваемом районе, имеющими практическое значение для хозяйственно-питьевого водоснабжения .

Проницаемый локально-слабоводоносный горизонт аллювиально-делювиальных и покровных отложений IV надпойменной террасы и высокой равнины ввиду малой мощности, очень низкой водообильности и локальной (спорадической) обводненности практического значения не имеет.[4]

5. Инженерно-геологические условия

Инженерно-геологические условия территории Пермского края изучались главным образом для решения практических задач промышленного и гражданского строительства. Огромное количество изыскательских работ выполнено проектными организациями и институтами ОАО «Верхне камТИСИз», ООО «Пермгражданпроект», «Ленгипроводхоз», «Уралгипросельхозстрой» и др.; линейных инженерных сооружений - ОАО «Уралгипротранс», ООО «ПермНИПИнефть», ООО «Недра» и др. Большой объем инженерных изысканий проводился под крупное гидротехническое строительство на реках Кама и Чусовая, на основе которых были сооружены Камское и Воткинское водохранилища (Ю.В. Разумовский, Р.Б. Крапивнер, М.И. Тешлер, Д.Г. Зилинг, Е.И. Варварина и др.).

В последнее десятилетие большое количество научно-исследовательских работ в области региональной инженерной геологии, инженерного грунтоведения, инженерной геодинамики и инженерной экологии выполнено на кафедре инженерной геологии и охраны недр ПГНИУ под руководством В.В. Середина. Основным научным направлением данной инженерно-геологической школы является разработка методов и технологий оценки и прогнозирования инженерно-геологических и геоэкологических процессов. Особое место занимают исследования, связанные с изучением инженерно-геологических и геоэкологических условий нефтегазоносных регионов и объектов нефтегазовой промышленности. Новым направлением региональной инженерной геологии (в соответствии с идеями В.Т. Трофимова о новом этапе в развитии инженерной геологии, с исследованием многообразия всех объектов инженерной геологии, исходя из парадигмы тектоники плит) является изучение геодинамической активности природных и урбанизированных территорий.

Инженерно-геологическое картирование и районирование.

В 2005-2007 гг. ЕНИ ПГНИУ выполнены работы по составлению инженерно-геологической карты Пермского края масштаба 1:500 000 (И.С. Копылов и А.В. Коноплев). В основу карты положен материал геологических и гидрогеологических съемок масштаба 1:200 000 и тематических работ по изучению геологических процессов. В 2012 г. в составе Атласа карт Пермского края разработали новый вариант инженерно-геологической карты, которая представляет собой современную картографическую модель инженерно-геологических условий Пермского края. Легенда карты состоит из трех основных блоков и отражает: инженерно-геологическое районирование (регионы, области, районы, участки); инженерно-геологические формации коренных пород и геолого-генетические комплексы четвертичных образований; современные геологические процессы.

.

Рисунок 2. Инженерно-геологическая карта Пермского края.

Рисунок 3. Условные обозначения к инженерно-геологической карте.

Территория города Перми имеет сложные инженерно-геологические условия . Каждый район города подвержен опасным геологическим процессам, основным из которых является подтопление . Существующая тенденция застройки г. Перми сводится к более рациональному использованию земель в пределах уже застроенных территорий, так называемой точечной застройки . Как следствие возникает необходимость возведения высотных зданий и сооружений, а также сооружений повышенной сложности . Фундаменты таких зданий как правило глубокого заложения, опираются на полускальные и скальные нижнепермские грунты, залегающие на глубине 15-20 метров. [6]

Полускальные породы раннепермского возраста представляют собой толщу переслаивающихся песчаников, аргиллитов, алевролитов. А также иногда могут встретиться маломощные прослои мергелей, известняков и конгломератов. Согласно анализу инженерно-геологических условий г. Перми и классификации по ГОСТ 25100-95[7] принимается, что толща сжимаемых грунтов основания представленных аллювиально- деллювиальными четвертичными отложениями, достигает 20 м . Толща сжимаемых грунтов основания, как правило подстилается полускальными или скальными нижнепермскими грунтами .

Наиболее характерные для города Перми типы оснований:

Рисунок 4. I,II,III надпойменная терраса р. Камы.

Рисунок 5. IV надпойменная терраса р. Камы.

Тут нужно отметить, что самой распространённой в пределах Перми является IV надпойменная терраса.

В инженерно-геологическом разрезе города Перми можно выделить два горизонта нижнепермских отложений.

Первый из них представлен дисперсными четвертичными отложениями и выветрилыми, трещиноватыми, расцементированными полускальными грунтами, которые простираются до 15 метров. Модуль деформации E в пределах 0.1-0.5 не превышает 5 МПа.Второй горизонт представлен нижпермскими полускальными и скальными отложениями.

Модуль деформации колеблется в интервале 0.1-0.5 от 15-100 Мпа для различных литологических типов пород . Было предложено В.А. Юминовым, Д.М.Димухаметовым, В.Е.Малаховым[8] при строительстве более ответственных объектов их следует относить к полускальным грунтам .

В связи с тем, что отсутствуют региональные нормативные документы, которые характеризуют инженерно-геологические условия города Перми, большое внимание уделяется изысканиям застраиваемого участка. Определение физико-механических свойств полускальных грунтов проводится на основе ГОСТов для дисперсных и полускальных грунтов.

Основными испытаниями являются испытания на прочность методом одноплоскостного среза.

И испытанием на деформируемость (компрессия). Также для полускальных и скальных грунтов определяется предел прочности методом одноосного сжатия, однако я более подробно остановлюсь на разборе испытаний методом компресионного сжатия.

Лабораторные испытания полускальных грунтов проводились в компрессионном приборе ГТ 1.1.4-01. Нагружение образцов производилось ступенями от 25 до 600 кПа, с учетом бытового давления и предполагаемого давления от сооружения (до 500 кПа), согласно ГОСТ 12248--96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Проводилось несколько замеров. И каждый раз результат отличался от предыдущего.

Модуль деформации Ек по данным компрессионных испытаний для глинистых грунтов рассчитан в интервале нагрузок 0,1-0,5 МПа по формуле:

где ei -- значение коэффициента пористости, соответствующее нагрузкам 0,1-0,5 МПа; m0-- коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления 0,1-0,5 МПа; в -- коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе. При расчете компрессионного модуля деформации коэффициент в принимался равным 1. Полученные результаты были обработаны с использованием методов математической статистики согласно ГОСТ 20522 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний».

Однако не все методы позволяют точно определить величину деформации тех или иных грунтов. Проблемы расчёта и моделирования оснований, которые сложены полускальными грунтами. Возникают при возведении высотных зданий и сооружений, с развитой подземной частью, которые передают значительные нагрузки на грунтовое основание. При взаимодействиях в системе:

“основание - фундамент - подземная и надземная части здания - окружающая застройка”

в массиве грунта формируется сложное напряженно- деформированное состояние, которое трансформируется в пространстве и во времени в период строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Это обусловлено многочисленными факторами, и в первую очередь особенностями физико-механических свойств грунтов в массиве, к которым относятся: неоднородность, пластичность и ползучесть.

Правильная оценка напряженно-деформированного состояния системы при всём этом, существенно зависит от правильных оценок инженерно-геологических условий площадки строительства, в том числе от оценки физико-механических свойств грунтов, слагающих рассматриваемый массив, с учетом его исходного напряженно- деформированного состояния. На глубине 20 м давление в грунте составляет до 500 кПа. Давление от высотных сооружений может достигать 500-600 кПа. В результате получаем нагрузки, необходимые для проведения лабораторных испытаний, порядка 1000 кПа. Данное давление возможно создавать и поддерживать далеко не во всех существующих лабораторных приборах.

Кроме того, в настоящее время техника наиболее распространенных компрессионных испытаний такова, что не дает возможности избежать некоторых погрешностей в процессе работы.

Наиболее существенными из них являются: а) нарушение структуры образца грунта при заполнении кольца компрессионного прибора; б) наличие трения между образцом и стенками обоймы кольца прибора, что искажает результат компрессии; в) недостаточные напряжения, создаваемые в приборе (реальные нагрузки от здания достигают 1000 кПа). И в итоге мы получаем существенные различия в значениях модулей общей деформации, полученных в результате лабораторных исследований в компрессионных приборах (Таблица 1 ).[9]

Таблица 1.

Деформационные свойства полускальных нижнепермских грунтов.

Заключение

Таким образом, современные методы лабораторного определения прочностных и деформационных свойств грунтов не эффективны при испытаниях полускальных нижнепермских грунтов. Все недостатки исследований: 1) нарушение структуры образца грунта при заполнении кольца компрессионного прибора; 2) наличие трения между образцом и стенками обоймы кольца прибора; 3) недостаточные напряжения, создаваемые в приборе (реальные нагрузки от здания достигают 1000 кПа). В связи с возрастающей ролью данных отложений в качестве оснований высотных зданий и сооружений повышенной сложности в г. Перми необходима разработка более эффективной методики лабораторных исследований механических свойств полускальных нижнепермских грунтов.

Список литературы

Назаров Н.Н., Шарыгин М.Д. География. Пермская область. Пермь, Книжный мир, 1999.

http://studopedia.org/

Проворов В. М. Тектоника // Минерально-сырьевые ресурсы Пермского края. Пермь, 2006. С. 63-74; Проворов В. М. История геологического развития // Минерально-сырьевые ресурсы Пермского края. Пермь, 2006. С. 93-110; Ибламинов В. Г. Тектоника Уральской складчатой системы // Минерально-сырьевые ресурсы Пермского края. Пермь, 2006. С. 74-77.

И.Д. Соболев. Ротационная тектоника Земли .

Шварцев С.Л. Общая гидрогеология; Кирюхин В.А., Толстихин Н.И. Региональная гидрогеология .

Ожгибесов В.П. Стратиграфия и геология Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. Общие и региональные стратиграфические подразделения пермской системы: справ.-метод. материал для студентов, аспирантов и преподавателей геол. фак. / Перм. гос. ун-т. - Пермь, 2006. - 20 с.

ГОСТ 25100-95 . Грунты . Классификация .

Особенности классификации грунтов татарского яруса при инженерно-геологических изысканиях на нефтяных месторождениях ОАО «Удмуртнефть» / В.А. Юминов [и др.]. // Инженерные изыскания. - 2009. - № 6. - С. 16-21.

И.А. Ощепкова, Е.Н. Сычкина . Фундаменты глубокого заложения. Пермь, 2011 - 60 с.

Размещено на Allbest.ru