Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 5
1.1. Геологическая среда и ее взаимодействие с техногенными объектами 5
1.2. Особенности инженерно-геологических условий Архангельска 7
1.3. Методы проведения мониторинга и прогноз развития процессов 13
1.3.1. Прогноз осадки торфа в основании насыпей. Полевые
и лабораторные исследования деформационных свойств торфяных грунтов 13
1.3.2. Мониторинг режима грунтовых вод 16
1.4. Направления, цели и задачи исследований 17
2. Инженерно-геологические условия г. Архангельска 19
2.1. Описание базы данных инженерно-геологических условий 19
2.2. Физико-механические свойства грунтов 22
2.3. Типы оснований и районирование территории 36
Выводы по 2-й главе 48
3. Экспериментальные исследования сжимаемости торфа 49
3.1. Лабораторные исследования 49
3.1.1. Общая характеристика и физические свойства образцов 49
3.1.2. Методика исследований 50
3.1.3. Результаты исследований 52
3.1.4. Анализ результатов исследований 59
3.1.5. Исследование фильтрационных свойств торфа 68
3.2. Полевые эксперименты 70
Выводы по 3-й главе 75
4. Методика прогноза длительной осадки торфа под слоем техногенных отложений 76
4.1 Сопоставление данных компрессионных испытаний и полевых исследований для прогноза длительной осадки торфа под пригрузкой 76
4.2. Исследования и прогноз колебания уровня грунтовых вод 78
4.2.1. Полевые исследования 79
4.2.2. Математическая модель колебания уровня грунтовых вод 83
4.2.3. Пример прогноза колебания уровня грунтовых вод 97
4.3. Методика расчета осадки торфа под слоем техногенных отложений 100
4.3.1. Общие положения по расчету осадки торфа под слоем техногенных отложений 100
4.3.2. Пример прогноза осадки торфа под пригрузкой 102
4.3.3. Практическое использование методики прогноза осадки торфа под пригрузкой 106
Выводы по 4-й главе 117
5. Рекомендации по проектированию подземных инженерных коммуникаций на заторфованных основаниях 119
5.1. Иженерно-геологические изыскания 119
5.1.1. Порядок проведения инженерно-геологических изысканий 119
5.1.2, Расчет экономического эффекта при оптимизации объемов инженерно-геологических изысканий 121
5.2. Основания и фундаменты подземных коммуникаций 127
5.2.1. Общие положения 127
5.2.2. Расчет оснований коммуникаций 128
5.2.3. Свайные фундаменты 129
5.3. Конструктивные решения 137
5.3.1. Подземный канал 137
5.3.2. Смотровой колодец 141
5.3.3. Расчет экономического эффекта при устройстве смотрового колодца 146
5.4. Практическое применение базы данных инженерно-геологических условий и данных мониторинга процессов на заторфованных основаниях 154
Выводы по 5-й главе 155
Общие выводы 156
Список литературы
- Методы проведения мониторинга и прогноз развития процессов
- Физико-механические свойства грунтов
- Исследование фильтрационных свойств торфа
- Пример прогноза колебания уровня грунтовых вод
Введение к работе
Для нормального функционирования оснований, а, следовательно, и возведенных на них техногенных объектов, необходимо качественное геотехническое обеспечение проектирования, которое включает в себя комплексный анализ инженерно-геологических условий, расчет напряженно-деформированного состояния оснований и организацию мониторинга развивающихся в них процессов.
Объектом изучения в настоящей работе послужили основания, сложенные торфяными грунтами. Исследования выполнялись на территории г.Архангельска, где суммарная мощность торфа и перекрывающих его техногенных отложений достигает 5-7 м. Длительная осадка торфа в основании вызывает повреждения объектов городской инфраструктуры - инженерных коммуникаций, дорог, тротуаров, элементов благоустройства и т.п..
Изученные в работе процессы - длительная осадка торфа, а также влияющие на нее колебания уровня грунтовых вод являются характерными для многих городов. Так на 20 % территории России имеются отложения торфа, а изменения уровня грунтовых вод являются одним из основных факторов, оказывающих негативное воздействие на основания, подземные сооружения и фундаменты в городах.
Полученные методики расчета, данные мониторинга, конструктивные решения подземных инженерных коммуникаций на заторфованных территориях, могут найти применение в аналогичных инженерно-геологических условиях, что позволит повысить надежность указанных сооружений, сократить затраты на их устройство и эксплуатацию.
1. Состояние вопроса и задачи исследований
Методы проведения мониторинга и прогноз развития процессов
Расчет осадки торфяных грунтов во времени под пригрузкой производится на основе методик, разработанных Л.С.Амаряном, М.Ю.Абелевым, В.Н.Брониным, Н.Д.Банниковым, Ф.П.Винокуровым, Ю.К.Зарецким,
А.С.Королевым, Н.В.Козубовым, Н.П.Коваленко, А.Ф.Печкуровым, Ю.А.Соболевским, А.А.Ткаченко, П.К.Черником, и др. [2,5, 36, 38, 53].
Л.С.Амаряном, И.И.Вихляевым, Ф.П.Винокуровым, П.А.Дроздом, И.Е.Евгеньевым, Д.Д.Козминым, Н.П.Ковалено, В.И.Каминской, К.С.Ордуянцем, А.А.Ткаченко и др. накоплен значительный опыт использования торфяных грунтов как оснований сооружений [2, 36, 38, 53].
В г. Архангельске полевые исследования развития во времени деформаций торфа под пригрузкой проводились Н.П.Коваленко, Д.Д.Козминым, З.С.Стельмахом, А.Д.Худяковым и др. [2, 36, 38, 101].
В методиках прогноза осадки торфа под пригрузкой [64, 82], в основе которых лежит теория фильтрационной консолидации, не учитываются реологические свойства торфа.
Б.Н.Бронин, показал, что ползучесть существенно влияет на процесс развития деформаций торфа во времени. Для выполнения прогноза осадки торфа в основании насыпи по результатам обработки большого количества экспериментальных данных были получены коэффициенты ползучести для различных типов торфа. Однако, как показали результаты расчетов на примере г. Архангельска, методика дает заниженные величины деформаций торфа в основании насыпи во времени. Поэтому для повышения точности прогноза деформаций торфа необходимы длительные натурные полевые исследования.
В 1992 году сотрудниками кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов АГТУ под Архангельском на болоте верхового типа с мощностью торфа от 3,8 до 6,7 м был организован опытный полигон размером 190x300 м. На поверхность был отсыпан слой песка мощностью от 0,9 до 3,5 мис помощью поверхностных марок организовано наблюдение за осадкой торфа [36].
Данные мониторинга свидетельствуют о следующем: - значительная часть осадки происходит в период загрузки торфяной толщи, в первые три-четыре месяца степень консолидации достигает 0,8-0,9. - скорость осадки через пять лет достигает 40.. .80 мм/год, - изменение скорости осадки торфа во времени достаточно точно выражается степенной зависимостью.
Компрессионные лабораторные исследования сжимаемости торфа проводились Л.С.Амаряном, В.Н.Брониным, П.А.Дроздом, И.Е.Евгеньевым, Н.Н.Ивановым, Н.П.Коваленко, А.Ф.Печкуровым, Н.Н.Сидоровым, И.Е.Сидоровым, А.Д.Худяковым [2, 5, 8, 36,44, 104]. По результатам лабораторных экспериментов указанных выше исследователей можно сделать следующие выводы: - для определения деформационных характеристик торфяных залежей, при-гружаемых по большой площади, компрессионные испытания дают достаточную точность для выполнения прогноза осадки торфа под пригрузкой в натурных условиях, - деформации торфа продолжаются длительное время за счет ползучести скелета торфа, полная стабилизация деформаций не наступает даже через очень большой промежуток времени (2-5) лет, - продолжительность компрессионных испытаний образцов торфа по стандартной методике [18] составляет 4-6 месяцев, что совершенно неприемлемо для изыскательских организаций, - связь между напряжениями и деформациями является нелинейной,
- применение для расчета одномерной консолидации торфяных грунтов линейного и нелинейного вариантов фильтрационной теории не дает удовлетворительных результатов.
Таким образом, для уточнения деформаций торфа в основании насыпи во времени, требуются дополнительные натурные исследования, что требует организации мониторинга.
Физико-механические свойства грунтов
Анализ информации, содержащейся в базе данных, показал, что на застроенной территории города можно выделить девять характерных типов грунтов или инженерно-геологических элементов (ИГЭ) [59]:
1 - техногенные грунты (tIV), по составу крайне неоднородны, в старой части города представлены суглинками, песками, строительным и бытовым мусором, в новых районах - мелким песком. Мощность изменятся в пределах 0,5 -6 м,
2 - болотные отложения (b iV), торф коричневый, водонасыщенный, слабо- и среднеразложившийся, (0,5 - 6,5 м), - озерио-болотные отложения (lbiv), суглинки и глины зеленовато-серые и серые, в мягко- и текучепластичном состоянии, (0,4 - 4,5 м),
4 - аллювиалъно-морские отложения (arriiv), представлены двумя разновидностями грунтов: песками мелкими и пылеватыми (ИГЭ 4а) и илами (ИГЭ 46). Пески мелкие и пылеватые серые, местами с примесью органики и прослойками ила, насыщенные водой, (5,0 - 9,0 м). Илы глинистые, реже суглинистые, темно-серого цвета, с прослойками песка, (0,5 - 9,5 м),
5 - отложения континентального перерыва (kiV), погребенный торф средне- и сильноразложившийся, коричневый и темно-коричневый, водона-сыщенный, (0,2 - 1,0 м),
6 - озерно-ледниковые суглинки (lgm), мягко- и тугопластичные, зеленовато-серые и коричневато-серые, с растительными остатками, (0,5 - 4,5 м),
7 - ледниковые отложения (gm), выходят на поверхность в центральной части города, на юге и севере залегают на глубине 10-25 м. Верхний горизонт (g2) представлен суглинками коричневого и серовато-коричневого цвета от мягкопластичного до полутвердого состояния, с включением гравия и гальки, (0,5-10 м), нижний горизонт (g1) - тугопластичными - полутвердыми суглинками темно-серого цвета, с гравием и галькой, (0,5 - 9,0 м),
8 - меэ/сстадиальные озерно-ледниковые отложения (instm) разделяют горизонты ледниковых отложений, представлены суглинком в мягкопла-стичном и тугопластичном состоянии, серовато-коричневого и серого цвета, (0,5-3,5 м),
9 - морские отложения (шщ), суглинки полутвердые и твердые, темно-серые, с прослоями песка пылеватого, серого. Нижняя граница слоя изысканиями обычно не устанавливается, согласно литературных данных она превышает 40-60 м.
8 отличие от напластования грунтов, предложенного А.Л. Невзоровым и В.Н. Кубасовым [57], дополнительно выделены в инженерно геологический элемент №8 межстадиальные озерно-ледниковые отложения.
Формирование указанных отложений связано с временной трансгрессией (наступлением) моря.
Обобщение и статистическая обработка данных, содержащихся в электронной базе, позволили составить таблицы деформационно-прочностных свойств характерных типов грунтов г. Архангельска.
В геолого-статистические совокупности при обработке данных включались грунты одного и того же генезиса - озерно-болотные (lbiv, ИГЭ-3), озерно-ледниковые (lgui, ИГЭ-6), ледниковые (gni и gm , ИГЭ-7), межстадиальные (instin, ИГЭ-8) и морские (тП[, ИГЭ-9), аллювиально-морские (amiv, ИГЭ-4). В ходе обобщения физико-механических характеристик грунтов получены таблицы нормативных и расчетных значений удельного сцепления (с), угла внутреннего трения (ф) и модуля деформации (Е) как функции показателя текучести (II) И коэффициента пористости (е) пылевато-глинистых грунтов. Кроме того, составлены таблицы деформационно-прочностных свойств морских мелких и пылеватых песков (ИГЭ-9) в зависимости от коэффициента пористости. Значения модуля деформации принимались в интервале давлений 100-200 кПа с учетом поправочного коэффициента Агишева [65].
Заметим, что в ходе инженерно-геологических изысканий определяются лишь физические свойства торфа. Механические свойства, требующие длительных лабораторных исследований, как правило, не изучаются.
Статистическая обработка данных выполнялась согласно «Руководству по составлению региональных таблиц нормативных и расчетных показателей свойств грунтов» [68] в следующем порядке: - выборка данных для каждого типа грунтов, - подбор вида прогнозирующих уравнений и их построение, - оценка разброса показателей с построением толерантных пределов для прогноза их расчетных значений, - построение таблиц на основе найденных зависимостей.
Исследование фильтрационных свойств торфа
В ходе компрессионных испытаний определяли также водопроницаемость торфа. Для первых трех партий образцов при каждой ступени нагрузки определялась скорость фильтрации при постоянном градиенте напора - 5, 15 и 25. Обработка полученных данных проводилась с помощью программы MS Excel. Результаты испытаний представлены на рис.3.12.
Следует отметить, что в процессе уплотнения происходит существенное изменение коэффициента фильтрации и начального градиента напора 10. Так, например, при нагрузках 100 кПа коэффициент фильтрации уменьшился на три порядка по сравнению с кф для торфа естественного сложения, а начальный градиент напора возрос с 0,9 до 5,2 (табл. 3.10).
Результаты расчета показали, что для образцов торфа высотой 5, см, испытанных в условиях двусторонней фильтрации, значение cv изменяется от 23650 м /год при давлении 0... 12,5 кПа до 7,3 м /год при давлении 100 кПа.
Вследствие этого существующие методики прогнозирования осадки во времени, использующие постоянные значения коэффициента консолидации, требуют корректировки [36, 60].
Как было отмечено в первой главе, в 1992 году под г. Архангельском на болоте верхового типа А.Л. Невзоровым и Д.Д. Козминым был организован опытный полигон размером 190x300 м. Мощность торфа на участке колебалась от 3,8 до 6,7 м. На поверхность был отсыпан слой песка мощностью от 0,9 до 3,5 м и с помощью поверхностных марок организовано наблюдение за осадкой торфа. По результатам мониторинга были получены опытные данные развития осадки торфа во времени за период наблюдений 5 лет.
Наиболее интенсивно осадка нарастала в первый год после приложения нагрузки, затем ее темп существенно снизился и через пять лет достиг значений 40...80 мм/год. Изменение скорости осадки торфа во времени, так же как и по результатам лабораторных исследований, достаточно точно выражается степенным уравнением [11].
Сопоставление данных компрессионных испытаний (высота образцов 5 см с двусторонним дренированием) и относительных деформаций торфяной залежи на опытном полигоне показало их достаточно близкую сходимость (рис.3.13).
Из сказанного следует, что расчет осадки торфа в основании насыпи, например, при выполнении проектов планировки, проектировании насыпей транспортных сооружений, дамб и т.д., можно выполнять на основании данных компрессионных испытаний. Ошибкой в 3-4 %, которую дает неполная стабилизация образцов торфа, можно пренебречь или ввести поправочный коэффициент.
Проблему представляет продолжительность развития деформаций торфа. Так, за 9 - 12 месяцев на образцах высотой 5 и 7 см была достигнута скорость деформаций 0,0011.. .0,0013 мм/сут, что соответствует осадке торфяной залежи мощностью 6 м со скоростью (0,0011-6000/50) = 0,13 мм/сут и (0,0013-6000/70) = 0,11 мм/сут. О длительном развитии осадки свидетельствуют и приведенные выше данные наблюдений А.Л. Невзорова и Д.Д. Коз-мина (40...80 мм/год) через 5 лет после отсыпки песка.
Длительный прогноз скорости развития деформаций торфа необходим при проектировании объектов городской инфраструктуры.
В 2000 году наблюдения за развитием осадки торфа на опытном полигоне нами были продолжены. Результаты мониторинга показали, что и через 10 лет после пригрузки осадка не стабилизировалась, а развивается со скоростью 15...25 мм/год.
Кроме того, в различных районах города нами проводится нивелировка поверхности с целью определения скорости осадки территории спустя 30 - 40 лет с момента намыва или отсыпки грунта на поверхность болота под новое строительство. Всего было организовано 10 опытных участков, на каждом из которых установлено по 4-6 поверхностных марок. Нивелировочные марки выполнены в виде металлических костылей, забиваемых в асфальт внутри-квартальных тротуаров. Нивелировка установленных поверхностных марок производилась с периодичностью 1 раз год в течение 4 лет. Замеры осуществлялись нивелиром Н-2 по II классу при точности ±1 мм с использованием инварной штриховой рейки [75]. Места заложения опытных участков показаны на рис.3.14.
Пример прогноза колебания уровня грунтовых вод
Положение уровня грунтовых вод и его сезонные колебания следует учитывать при расчете осадки торфа под слоем техногенных отложений и производстве земляных работ при устройстве коммуникаций.
Режим грунтовых вод формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов [3]. К первым относят количество осадков, испарение; ко вторым - колебания водоносности рек, уровня озер и болот; к третьим - геолого-литологическое и геоморфологическое строение [40]. Антропогенные факторы нарушают естественный режим грунтовых вод - их динамику, температуру и химический состав.
Основным режимным фактором является сезонное колебание грунтовых вод. В настоящее время в г. Архангельске гидрогеологические наблюдения выполняются только в ходе инженерно-геологических изысканий при бурении скважин. Отсутствие данных по изменению уровня грунтовых вод в круглогодичном цикле нередко приводит к затоплению котлованов и траншей при производстве земляных работ, подтоплению подземных сооружений и др.
Полевые исследования
С целью изучения колебания уровня грунтовых вод нами было организовано двенадцать наблюдательных постов на опытных участках с различными (характерными для г. Архангельска) типами оснований.
Участки № 1, 5, 7 (см. рис.4.2) - расположены в северной и центральной частях города. С поверхности залегает слой торфа слаборазложившегося мощностью 3,0-5,5 м, подстилаемый суглинками. Плотность торфа 1,01-1,02 г/см3, влажность 11,0-14,3.
Участки № 2, 3 - расположены в северной и центральной частях города. Типы оснований «А» и «Д» (см. п.2.3). Напластование грунтов: - техногенные отложения, представлены строительным и бытовым му сором, плотность 1,45-1,55 г/см , влажность 0,12-0,15, - суглинки озерно-болотные, текучепластичные, плотность 1,6-1,7 г/см3, влажность 0,30-0,32.
Участки № 4, 12 - расположены в центральной и южной частях города. Тип основания «Б» (см. п.2.3). Напластование грунтов: - насыпной мелкий песок, плотность 1,65-1,70 г/см3, влажность в зоне аэрации 0,06-0,08, - торф слаборазложившийся, плотность 1,01-1,03 г/см3, влажность 6,3-7,1. Торф подстилается суглинком кровля которого расположена на глубине 4,2-5,1 м.
Участки № 6, 8, 9, 10, 11 - расположены в центральной и южной частях города. Тип основания «Б» (см. п.2.3). Напластование грунтов: - техногенные отложения, представлены строительным и бытовым му сором, плотность 1,4-1,5 г/см3, влажность 0,10-0,12, - торф слаборазложившийся, плотность 1,01-1,03 г/см3, влажность 6,9-7,8 Торф подстилается суглинком залегающим на глубине 3,6-5,2 м.
Замеры уровней выполнялись с интервалом 15-30 дней в течение трех лет. На рис.4.4 представлены результирующие графики колебания уровня грунтовых вод во времени для характерных типов оснований. о о
Анализ результатов наблюдений по двенадцати наблюдательным постам показывает, что максимально высокий уровень приходится на период весеннего снеготаяния: 2-ю половину апреля - 1-ю половину мая (весенний максимум), когда грунтовые воды располагаются на расстоянии 0,2-0,5 м от дневной поверхности. Наиболее низкое положение уровня грунтовых вод наблюдается в марте, что обусловлено прекращением инфильтрации атмосферных осадков в водоносный горизонт в зимний период. Величина амплитуды годового колебания уровня грунтовых вод находится в городе в переделах от 0,8 до 1,2 м в зависимости от геологических условий.
