Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современная оценка плывунности песчаных грунтов 12
1.1 .Распространение и инженерно-геологические особенности песков
Краткий обзор изучения прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов 16
1.3. Примеры аварий, связанных с проявлением плывунности песчаных грунтов 23
1.4. Обзор основных направлений в изучении плывунности песчаных грунтов 25
ГЛАВА 2. Методика исследований 37
2.1. Лабораторно-экспериментальные исследования песчаных несцементированных грунтов 3 8
2.2. Методика исследования структурной прочности песков при различных воздействиях 40 CLASS ГЛАВА 3. Основные факторы, влияющие на развитие плывунных свойств песков CLASS
3.1. «Внутренние» факторы 45
3.2. «Внешние» факторы 54
Выводы к главе 3 59
Глава 4. Геоэкологические факторы, оказывающие влияние на плывунность песков 62
4.1. Характер и особенности геоэкологических воздействий 62
4.2 Типизация геоэкологических воздействий 65
4.3. Характеристика геоэкологических факторов и их влияние на плывунность песчаных грунтов 68
4.3.1. Гидродинамические воздействия 68
4.3.2 Тепловые воздействия з
4.3.3. Химические и физико-химические геоэкологические воздействия 84
4.3.4. Техногенные динамические воздействия 93
Выводы к главе 4 105
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования 106
5.1. Инженерно-геологическая характеристика исследованных песчаных грунтов 106
5.2. Исследования прочности песчаных грунтов 122
5.2.1. Результаты изучения прочности песчаных грунтов в зависимости от влажности 122
5.2.2. Результаты изучения прочности песчаных грунтов в зависимости от температуры 127
5.3. Изучение влияния засоления на структурную прочность песчаных грунтов 132
5.4. Изучение деформационного поведения песков при температурном воздействии 135
Выводы к Главе 5 139
ГЛАВА 6. Рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований песчаных грунтов, необходимых для оценки их плывунности 140
Заключение 146
Список литературы 1
- Краткий обзор изучения прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов
- «Внешние» факторы
- Химические и физико-химические геоэкологические воздействия
- Результаты изучения прочности песчаных грунтов в зависимости от влажности
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Геологическая среда в ряду жизнеобеспечивающих геосфер во многом определяет функционирование и изменения урбанизированных территорий. Геологическая среда территории г. Москвы за историю хозяйственного использования испытывала разнообразные техногенные воздействия. В пределах жилой застройки подземное пространство города пронизано густой сетью подземных коммуникаций, которые наряду с другими факторами вызывают подтопление территорий, нагрев грунтов, химико-биологическое загрязнение грунтов и вод, а также оказывают и другие техногенные воздействия. В результате геологическая среда претерпевает серьезные изменения, что для нее характеризуется как техногенез, одним из определяющих факторов которого является строительство. При этом скорость техногенной трансформации геологической среды настолько велика, что за очень короткое время могут измениться многие показатели свойств грунтов, что отмечено рядом исследователей (Королев, Воронкевич, Кошелев)
Чрезвычайно актуальна, как с геоэкологической, так и инженерно-геологической точек зрения, проблема надежной оценки способности песчаных грунтов переходить в текучее состояние в условиях техногенных воздействий в силу того, значительные территории, сложенные песчаными грунтами находятся в сфере инженерно-геологической деятельности человека. Расширение спектра и увеличение интенсивности техногенных воздействий на геологическую среду способно нарушить устойчивость инженерных сооружений под влиянием геологических процессов.
Плывунность – это способность песчаных грунтов переходить в текучее состояние под действием различных воздействий: динамических, гидродинамических, механических. Плывунные свойства песков осложняют реализацию строительных проектов. По этому вопросу накоплен определенный материал. Но ряд вопросов изучен еще недостаточно и требует специальных исследований, поскольку имеющиеся сведения носят разрозненный характер и пока не позволяют представить целостную картину возможных путей формирования плывунных свойств. Это определило необходимость исследования плывунности песчаных грунтов различного генезиса строения и состава в условиях техногенных воздействий.
Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является изучение роли геоэкологических факторов в формировании плывунных свойств песков различного генезиса, обладающих особенностями состава и строения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Оценка степени влияния состава и структуры грунтов на формирование плывунных свойств, по результатам экспериментальных исследований и анализа литературных и фондовых материалов.
-
Изучение наиболее характерных геоэкологических воздействий и их источников в пределах городской застройки и промышленных зон, наиболее значимых по степени влияния на структурные особенности песков.
-
Анализ и обобщение данных собственных инженерно-геологических изысканий, а также исследований других авторов о реакции песков на отдельные геоэкологические воздействия: увлажнение, нагревание и химическое загрязнение.
-
Изучение закономерностей влияния геоэкологических факторов (подтопления, нагревания и химического загрязнения) на плывунность песчаных грунтов различного генезиса по данным инженерно-геологических изысканий и лабораторных испытаний.
-
Разработка рекомендаций по инженерно-геологическим изысканиям с целью выявления плывунных свойств песчаных грунтов.
Научная новизна.
1. В результате комплексной оценки состава и структуры песков различного генезиса подтверждена их определяющая роль в формировании плывунных свойств.
2. Выявлены геоэкологические факторы, такие как подтопление, нагрев, засоление грунтов и оценена их роль в формировании плывунности песчаных грунтов различного генезиса.
3. Разработаны рекомендации по инженерно-геологическим изысканиям песков для выявления песчаных грунтов обладающих плывунностью.
Практическое значение работы заключается:
1. В установлении ряда обязательных при изысканиях показателей состава, строения и состояния грунтов, диктующих проявление плывунных свойств..
2. В определении качественного и количественного диапазона характеристик песчаных грунтов, определяющих их плывунность.
3. В выявлении группы геоэкологических факторов (подтопление, загрязнение подземных вод, термическое воздействие), формирующих плывунность песчаных грунтов.
4. В разработке рекомендаций по оценке плывунности песчаных грунтов при инженерно-геологических изысканиях.
Защищаемые положения:
1.Разработанная комплексная методика оценки плывунности песков в зависимости от состава, структуры, состояния и свойств песков.
2. Геоэкологические воздействия - подтопление, температура и засоление грунтов, приводят к радикальным изменениям в составе, структуре и свойствах грунтов.
3. Увлажнение и увеличение температуры грунта способствуют плывунности песков; засоление, чаще всего, наоборот, приводит к упрочнению песчаных грунтов за счет образования новых структурных связей.
4. При изменении состава грунтовых вод сформированные структурные связи могут разрушаться.
5. Интенсивность влияния изученных геоэкологических факторов на плывунность зависит от генезиса песков, что объясняется особенностями химико-минерального состава и морфологией песчаных грунтов.
6. Рекомендации для инженерно-геологических изысканий по выявлению песчаных грунтов, обладающих плывунностью.
Публикации. Основные положения и выводы работы были изложены в 6 публикациях, из них 3, в рекомендованных ВАК журналах
Апробация работы. Результаты доложены на Конференции молодых ученых МГСУ «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», 2005, «3-и и 4-е Денисовские чтения 2005, 2008гг.» и семинарах кафедры Инженерной геологии и геоэкологии.
Фактический материал и личный вклад автора. Работа основана на теоретических разработках, обобщении литературных и фондовых источников, результатах экспериментальных исследований, выполненных лично автором на кафедре ИГиГЭ МГСУ. Основные положения работы и ее выводы основываются на результатах исследований, выполненных на 63 образцах природных песков разных генетических типов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения. Общий объем текста 160 страниц, 16 таблиц, 27 рисунков. Список использованной литературы включает 110 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю академику РАЕН, проф., д.т.н. А.Д. Потапову и особую признательность научному консультанту проф., канд. г.-м. н. Н.А. Платову, заведующей лабораторией Т.Н. Зарифовой и др. сотрудникам кафедры ИГиГЭ МГСУ, а также главному геологу ОИИиПО инженерного центра ЕЭС филиала «Институт Гидропроект», канд. г.-м. наук Юдкевичу А.И. за оказанную помощь в написании работы.
Краткий обзор изучения прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов
Пески, как осадочные несцементированные породы, являются одними из широко распространенных на территории России. Различные по происхождению, составу и состоянию пески слагают речные долины, зандровые равнины, обширные пространства аридных областей и пр., являясь естественными основаниями многочисленных промышленных объектов и жилых массивов.
В России площадь, занятая песчаными и супесчаными грунтами, составляет около 1,9 млн. км2, из которых примерно треть приходится на территорию Европейской части. (Иванов, 1969).
Песчаные грунты относятся к классу осадочных обломочных пород, представляющих собой продукты распада любых пород в поверхностных частях земной коры и формировавшихся на протяжении всей геологической истории. По данным Кюнена (Kuenen, 1960) объем песчаных грунтов в земной коре ежесуточно увеличивается примерно на 50 тыс.м .
Инженерная деятельность человека, в результате которой образуется и накапливается огромное количество искусственных грунтов, часть из которых по своим характеристикам близка к пескам, также способствует увеличению объемов и площадей распространения песчаных грунтов.
Известно, что на песчаных грунтах возводится около 20% всех строящихся в нашей стране сооружений. Раньше считалось, что они являются надежным основанием. Однако, можно привести много примеров крупных аварий сооружений, фундаментом которых являлись пески. Причиной этого явилась слабая изученность и недостаточно правильная оценка прочностных и деформационных особенностей песков и их изменения при инженерном воздействии. Отсутствие у изыскателей, проектировщиков и строителей определенных представлений по этому вопросу отрицательно отражается на качестве работ и на их стоимости.
Весьма интересные и важные исследования песчаных грунтов приведены в работах В.В. Охотина, М.М. Филатова, Е.М. Сергеева, К. Терцаги, А. Казагранде, П.И. Фадеева, Н.М. Герсеванова, В.А. Флорина, Н.Н. Маслова, Г. Джилбой, Б. Хоу, П.Л. Иванова, Л.Б. Рухина, В.А. Дуранте.
Изучение прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов в различных условиях и состояниях привлекает внимание многих исследователей, тем не менее, эта проблема остается недостаточно решенной. В особенности это относится к мелкозернистым и пылеватым песчаным грунтам. Поэтому изучение прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов является вполне своевременной, актуальной проблемой.
Широкий «генетический» диапазон песчаных грунтов, обладающих различным составом и строением, в свою очередь, раздвигает границы изменения их состояния и свойств. Отсюда следует, что было бы глубоко неправильно подходить к использованию песков различных генетических типов с одинаковой меркой, не принимая во внимание особенностей их состава, строения, состояния и свойств.
Неслучайно, что еще возникают осложнения при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений из песков или возводимых на песчаных основаниях, вызванные во многом, из-за несколько упрощенного подхода в строительной практике к оценке песков, выполняемой, как правило, лишь по данным о гранулометрическом составе и коэффициенте пористости.
Стремление более точно оценивать свойства песков различной регионально-геологической и зонально-географической принадлежности приводит к созданию местных норм и указаний, отличающихся от СНиП. Однако, это не является исчерпывающим решением проблемы из-за их ограниченного распространения и отсутствия единого подхода к изучению генетической обусловленности взаимосвязей состава, строения, состояния и свойств песков.
Песчаные частицы, слагающие песчаные грунты, связаны между собой структурными связями. Структурные связи являются важнейшей структурной характеристикой песчаных грунтов. Структурная прочность песчаных грунтов определяется не только прочностью отдельных минеральных зерен и обломков, а также и прочностью связей между собой, т.е. структурными связями, которые формируются в результате физико-химических процессов в песчаных грунтах.
Структурные связи песчаных грунтов претерпевают постоянную изменчивость в результате механических и динамических воздействий на них. Структурная прочность, а также характер структурных связей в каждом конкретном случае исследований зависят от состояния песчаных пород. Например, в воздушно-сухом состоянии песчаные грунты могут иметь структурную прочность (Рт) до 1 МПа, а во влажном состоянии могут иметь лишь сотые и даже тысячные доли этой величины.
Среди факторов, влияющих на физико-механические свойства горных пород, главным с точки зрения В. И. Осипова (1976, 1977) является тип структурных связей (коагуляционный, переходный и фазовый), контролирующий наиболее общие черты прочностного и деформационного поведения грунтов.
Прочность структурных связей песчаных грунтов различна и она определяется составом структурообразующей фракции, составом органических компонент, минеральным составом, тонкодисперсным составляющей и песчаных частиц, формой и характером поверхности песчаных частиц и состоянием грунта. По мнению Сергеева (1979) в песчаных грунтах связь между отдельными частицами осуществляется молекулярными и ионно-электростатическими взаимодействиями или, как их называют в инженерно-геологической литературе, водно-коллоидными связями. Позже появились данные, свидетельствующие о том, что в песчаных грунтах при определенных условиях могут возникать связи магнитного характера и связи за счет поверхностных электрических зарядов, возникающих на контакте минеральных частиц (Осипов, 1977; Зиангиров, 1984). Структурная прочность грунта с точки зрения физико-химической механики определяется прочностью структурных связей между его частицами. Структурные связи своим возникновением обязаны силам, действующим непосредственно в контактах частиц между поверхностями частиц и окружающими их водными оболочками и между поверхностью частиц и минеральными и органическими веществами с клеящими свойствами, а также менисковыми силами воды в порах, если грунты содержат и воздух. (Ребиндер, Гольдштейн, 1971).
Силы по своей природе, определяющие прочность связей в грунтах, разделяют на химические, создающие связь между атомами, и физические, действующие по преимуществу между молекулами, к химическим силам относят те, которые обусловливают ионную и ковалентные связи, а к физическим - силы Ван-дер-Ваальса, подразделяемые на дипольные (ориентационные), индукционные и дисперсионные. Промежуточное положение между химическими и физическими силами занимают водородные связи (Писаренко, Поспелова, 1961).
Под прочностью структурных связей грунтов М. Н. Гольдштейн (1971) понимает сопротивление структурной сетки разрушению, которое определяется следующими характерными значениями напряжений: истинным пределом текучести (совпадает с пределом упругости) - условной границей, до которой сохраняется начальная (неразрушенная) структура; пределом структурной вязкости, начиная с которого имеет место постепенный переход к ньютоновской жидкости; условной границей предельного разрушения структуры (предельной структурной прочностью).
«Внешние» факторы
Изучение структурной прочности песчаных грунтов в настоящей работе проводили при помощи конического пластометра Ребиндера с углом заострения конического индентора 30. Выбор данного прибора обусловлен применением наиболее простого в использовании и апробированного в практике и достаточно точного метода определения прочностных характеристик грунта.
Конический пластометр (рис.3) состоит из подставки, на которой укреплены стойки для рычага, градуированной шкалы или индикаторов и подъемного столика для исследуемого образца. Сменный стальной конический индикатор навинчивается на стальной стержень, соединенный с рычагом. На одном конце имеется подвижная обойма с чашкой для разновесов. Рис.3. Конический пластометр Ребиндера с углом раскрытия конуса 30.
Стальной стержень с конусом соединен со стрелкой, регистрирующей глубину погружения конуса с точностью 0,1 мм. Перед началом опыта острие конического индентора приводится в соприкосновение с поверхностью образца посредством вращения подъемного столика и арретирного винта, опускающего конус. Необходимая нагрузка сообщается коническому индентору плавным нагружением гирь на чашу рычага.
Метод вдавливания конического индентора позволил получить условный предел прочности структуры песчаных грунтов (Рт, Па), который рассчитывается по формуле Рт=Ка , (4) К где Рт - условный предел прочности структуры, Па; F - сила, действующая на конический индентор, Н; hm - наибольшая глубина погружения конического индентора, см; К« - константа конического индентора с углом раскрытия 30, приближенно равная единице.
Для выявления роли увлажнения в изменении структурной прочности песчаных грунтов различного генетического типа исследования выполняли с образцами нарушенной структуры при трех влажностных состояниях: естественном, водонасыщенном и воздушно-сухом. Образцы нарушенного сложения готовились по методикам послойного осаждения в воде, отсыпки с послойным увлажнением снизу, после чего они выдерживались под нагрузкой до достижения ими естественной плотности. Все образцы испытывали по схеме постепенного (ступенчатого) нагружения конического индентора возрастающими нагрузками с одновременной регистрацией глубины его погружения. Количество определений составило от 10 до 15 в зависимости от места отбора образцов.
Глубина погружения конического индентора определялась через 30 с, после каждой ступени нагрузки, для образцов с естественной влажностью и через 1 мин — для образцов в водонасыщенном и воздушно-сухом состояниях, т.е. до полной стабилизации погружения конического индентора. Данные экспериментов, а также математическая обработка результатов приведены в Главе 5 диссертации.
Для выявления роли температуры в изменении структурной прочности песчаных грунтов сначала бралась серия тех же образцов, что и для предыдущего исследования (аллювиальных, моренных и флювиогляциальных, элювиальных и эоловых песков) сначала с естественной влажностью и ступенчато нагревалась в сушильном шкафу с температуры 20 до 60 с интервалом 10 градусов. Выбор данного интервала изменения температур обусловлен данными по изменению температуры грунтов вблизи тепловых магистралей, а также при аварийных утечках из водонесущих тепловых коммуникаций (по данным Кошелава А.Г., 2002г.) Для исключения влияния изменения влажности на структурную прочность при повышении температуры перед каждым определением производилось контрольное измерение влажности образца. Прочность по конусу определялась для каждой ступени нагревания образцов.
Аналогично были исследованы грунты в водонасыщенном состоянии. Данные, полученные в ходе экспериментов также представлены в виде графиков и таблиц и приведены в 5-ой главе диссертации.
Методика исследований прочности песков при их взаимодействии с растворами различных солей была следующей: предварительно осушенные образцы песка отсыпались в стеклянные стаканы, в которых находились нормальные растворы следующих солей: AICI3, ZnC , NaCl, КС1, LiCl, Li2SC 4, LiNC 35 Na2C03. Выбор этих растворов обусловлен их типичностью для состава грунтовых вод селитебных районов. Одновременно для каждого исследованного песка готовились еще два образца - контрольные: один сухой, а другой насыщался водой. После такого рода подготовки образцы выдерживались в общей сложности около 6 мес, по истечении которых определялись параметры прочности с помощью пластометра Ребиндера. Этого промежутка времени, как показывают исследования других авторов (Потапов, Платов) достаточно для формирования новых устойчивых структурных связей, которые изменяют прочность песчаных грунтов в значительном диапазоне. Кроме того, этого достаточно для определения характера и, главное, направления этих изменений. Более продолжительная выдержка образцов в растворах солей несомненно может привести к дальнейшему изменению прочности, однако значительно повлиять на структурную прочность уже не могут, что подтверждено аналогичными испытаниями, проведенными Потаповым А.Д. в 1984 г.
При испытаниях конусом фиксировалась влажность образца. Расчет условного предела прочности структуры песчаных грунтов Рт проводился по формуле (4) с предварительной проверкой инвариантности зависимости «нагрузка - квадрат глубины погружения конуса».
Результаты изучения влияния засоления на прочность песчаных грунтов различного генезиса приведены также в 5-ой главе диссертации.
При изучении реологического поведения исследуемых песчаных грунтов применялась та же установка, что и для определения прочностных характеристик — пластометр Ребиндера. Под действием постоянной нагрузки в 50г и 100г, измерялось «время погружения» конуса до полной остановки. Исследование песчаных грунтов этим методом не позволяет получить расчетных характеристик, но помогает получить особенности изменения характера деформирования грунтов. Песчаные грунты испытывались в естественном состоянии с условно-ненарушенной структурой (т.е. плотность грунта и влажность были близкими к естественным) при температурах 20, 30 и 40 С.
Для характеристики деформационного поведения песчаных грунтов при температурных воздействиях применялась методика наименьшего числа инвариантных показателей. При помощи пластометра Ребиндера была изучена кинетика развития осадки конуса при постоянной нагрузке при различных температурах песчаных грунтов.
Химические и физико-химические геоэкологические воздействия
На основе анализа случаев разжижения грунтов при землетрясениях и результатов многочисленных экспериментов многие исследователи считают, что при наличии всех других необходимых условий практически могут плыть природные пески со степенью водонасыщения более 0,80 и коэффициентом пористости более 0,60.
О том, что с уменьшением степени водонасыщения, плывунность песков тоже сильно понижается, подтверждено в полевых опытах Г.М. Ляхова и других. Пески с объемным содержанием воздуха в пределах до 0,5% при взрывах интенсивно разжижались. Но те же пески, содержащие защемленный воздух в пределах 2-4% от общего объема грунта, при взрывах в идентичных условиях уже не проявляли плывунности. В связи с этим Г.М.Ляхов считает возможным, подавая сжатый воздух в водонасыщенный грунт существенно уменьшить его плывунность при взрыве. По данным П.Л.Иванова, близкой к единице степени водонасыщения песка можно добиться лишь при подсыпании в воду сухих или полностью водонасыщенных песков; при всех остальных использованных методах подготовки «водонасыщенных образцов» содержание воздуха доходило от примерно 2 до 10%. Сильное влияние метода подготовки образца на его плывунность показано и в ряде работ зарубежных исследователей.
Многочисленные наблюдения и эксперименты показывают, что на плывунность песков сильно влияет их микростроение. Так, наличие даже слабой цементации между частицами (литогенетического структурного сцепления) приводит к резкому уменьшению плывунности, и увеличению прочности в 2-3 раза. Так, в обзорном докладе Комиссии по ядерному регулированию США «Оценка потенциала разжижения грунта во время землетрясения», основанном на анализе многих работ, делается вывод: «Имеются убедительные доказательства того, что сопротивление разжижению ненарушенных образцов ряда естественных отложений значительно выше сопротивления свежих образцов той же плотности».
Плывунность песков одного и того же гранулометрического состава, но имеющих разную форму и характер шероховатости зерен, может сильно отличаться друг от друга.
Морфология песчаных частиц оказывает определенное воздействие на формирование структурных связей грунтов и на интенсивность явлений и процессов, происходящих в них. Песчаные частицы обладают высокой удельной поверхностью и соответственно определенной поверхностной энергией, и весьма разнообразны по своим очертаниям, размерам и характеру поверхности. Возникновение определенных форм песчаных зерен зависит от ряда факторов, среди которых необходимо отметить: условия транспортировки, особенности выветривания, твердость и слоистость слагающих зерна минералов, а также химические условия среды. Многие исследователи считают, что полированная поверхность образуется на частицах, подвергшихся действию воды, матовая - действию ветра, ямчатая возникает в результате воздействия ветра и растворения.
Из основных структурных характеристик песчаных частиц в настоящей работе уделяется внимание двум - форме зерен и характеру поверхности.
Характер поверхности песчаных частиц определяет взаимодействие поверхностей частиц, т.е. сцепление между ними, условия их уплотнения и внутреннее трение. Характер поверхности частиц оказывает влияние на формирование ряда физико-механических свойств песчаных грунтов. Так, пески, в которых преобладают зерна с гладкой полированной поверхностью, будут иметь меньшее сопротивление сдвигу. Песчаные зерна с неровной поверхностью лучше связываются тонкодисперсными частицами, что изменяет условия их агрегирования.
Зависимость физико-механических свойств песчаных грунтов от различного размера частиц достаточно хорошо изучена. Этого нельзя сказать в отношении формы зерен и характера их поверхности, хотя им и предается исследователями большое значение. Морфологические особенности влияют на число контактов и зацеплений между песчаными зернами и на возможность их смещений от внешних статических и динамических воздействий, на величину общей поверхности частиц и их физико-химическую активность на объем, форму и количество пор, а следовательно, на скорость фильтрации, на плывунность и на процессы структурообразования песчаных грунтов.
Экспериментами установлено, что пески с округлой формой частиц и с гладкой их поверхностью значительно (на десятки процентов) легче переходят в плывунное состояние, т.е. на их разжижение требуется на десятки процентов меньшие интенсивности при равных циклах или меньшее количество циклов воздействий.
Ю.Н. Частоедов (1983) специально изучал виброуплотнение пылеватых, мелких и средней крупности песков с окатанными и неокатанными зернами. Коэффициент формы (по В.А. Мелентьеву) песков с окатанными частицами составлял 0,60-0,80, а с неокатанными - 0,13-0,17. Значения критического ускорения для песков с неокатанными частицами получились в 1,2-1,6 раз большими, чем у песков с окатанными частицами. Разница в значениях ускорений уменьшалась с ростом крупности песка.
А.Д. Потаповым (1984) также были проведены исследования влияния морфологии песчаных зерен на физико-механические свойства, в частности на структурную прочность песков.
На рис. 4 показана зависимость структурной прочности песчаных грунтов от показателя морфологии. Чем больше значение коэффициента формы песчаных частиц, тем меньшей прочностью обладают песчаные грунты.
Результаты изучения прочности песчаных грунтов в зависимости от влажности
Установлено, что в пределах Москвы и лесопарковой зоны (ЛПЗ) наблюдается не только рост среднегодовой температуры воздуха, но и пород и подземных вод до глубины более 30 м. Выявлена термическая аномалия на территории города с превышением температур над фоновой. Сделан важный вывод о том, что в формировании термической аномалии главную роль играет не инсоляция, а тепловое загрязнение недр Москвы за счет утечек тепла из различных источников (теплотрасс, канализации, отапливаемых подземных сооружений и т.д.).
Максимальные измеренные значения температурного поля по замерам температуры подземных вод для старых промышленных районов города достигают 35С, а средние составляют от 3 до 10С. Максимальные изменения температуры в жилых районах достигают 15С, а преимущественный диапазон изменений - порядка 1-11С.
Интенсивность «теплового загрязнения» на территории Москвы определялась по аэрофотоснимкам, сделанным в инфракрасном тепловом излучении в летний и зимний периоды. Анализ тепловых полей, выполненный Государственным научно-производственным предприятием (ГНПП) «Аэрогеология» и ГНПП «Аэрогеофизика», показал, что область с положительными высоко- и среднеконтрастными тепловыми аномалиями (превышение температуры над фоновой более 10С), возникновение которых обусловлено функционированием промышленных предприятий, занимает в Москве более четверти ее территории; интенсивными тепловыми утечками из подземных коммуникаций — более половины территории. Практически весь отрезок р.Москвы в пределах города испытывает тепловое воздействие (превышение температуры над фоновой составляет 19С) в результате сбросов промышленных и бытовых (в большинстве случаев химически загрязненных) вод. При таком тепловом влиянии увеличивается агрессивность грунтов и грунтовых вод по отношению к инженерным сооружениям и коммуникациям. Так, скорость почвенной коррозии в различных по составу грунтах увеличивается в среднем в два раза при росте температуры от 0 до 45-55С. Повышению коррозионной активности грунтов при изменении температурного режима способствует значительное подтопление верхней части грунтовой толщи, развитое на территории Москвы за счет утечек из водонесущих коммуникаций и нарушения естественного режима влагообмена и фильтрации. Наибольшие площади тепловых аномалий, связанных с промышленными предприятиями, приурочены к Восточному, Юго-Восточному и Южному административным округам, представляя собой субмеридиональную вытянутую зону шириной до 6 км. На остальной территории тепловые аномалии наблюдаются локально и приурочены к местам расположения предприятий вдоль МКАД.
В результате анализа материалов инфракрасного теплового аэромониторинга выявлено распределение интенсивности утечек из подземных водонесуших коммуникаций. Наиболее интенсивные утечки и, соответственно, связанные с ними тепловые аномалии приурочены к Центральному округу, что, по всей вероятности, обусловлено плохим состоянием коммуникаций в исторической части города. Территории, на которых наблюдаются утечки с интенсивностью более 4 л/сек на 1 км2, занимают 4,6% площади города (в основном Центр). Менее интенсивные тепловые аномалии с утечками от 2 до 4 л/сек на 1 км приурочены к районам массовой застройки 60—80 гг. и охватывают приблизительно 60% территории города.
Интересные результаты получены о формировании тепловых аномалий в жилых районах в зависимости от типа застройки и конфигурации зданий. В частности, в Печатниках выявлены сверхконтрастные аномалии во дворах круглых зданий. Зимой внутри колодца — двора холоднее, летом — теплее. Что свидетельствует о плохом проветривании двора. Менее контрастная по тепловым аномалиям обстановка (более экологичная по проветриванию) прослеживается в районах пятиэтажной застройки типа Черемушек.
Подобные тепловые аномалии существенно изменяют их структуру и свойства, что необходимо учитывать в ходе инженерно-геологических исследований и изысканий. Многие особенности таких изменений еще слабо изучены, несмотря на имеющиеся по этим вопросам данные, содержащиеся в работах (Королев, 1979; Жигалин и др., 1984; Королев, 1997; Королев и др., 2001). В частности, мало исследовано влияние тепловых воздействий теплосетей на изменение плывунных свойств песчаных грунтов, что и явилось одной из целей настоящей работы.
Данные об усилении разрушительного воздействия вибрации при повышении температуры получены при исследовании роли температуры в процессе тиксотропного структурообразования водонасыщенных глинистых грунтов (Николаева и др., 1981). Анализ кривых течения глинистых грунтов (каолина и аскангеля) при разных температурах показывает, что увеличение температуры от 20 до 60 С приводит к снижению прочности грунта в процессе сдвига. При этом уменьшаются и значения основных реологических параметров: условного статического предела текучести, границы течения с наименьшей степенью нарушения структуры, динамического (бингамовского) предела текучести и предела прочности структуры грунта. Так же снижаются шведовская и бингамовская вязкость системы. Наибольшее влияние температуры на перечисленные выше параметры наблюдается у грунтов с коагуляционным типом контактов.
Изучение термовлагопереноса в ненасыщенных дисперсных грунтах позволило В.А. Королеву (Королев и др., 1990) выделить изотермический и неизотермический влагоперенос в грунтах и установить его закономерности. Выявлено, что наибольшую роль в термовлагопереносе играет капиллярная вода, а скорость и эффективность переноса зависят от размера пор и дисперсности грунтов. Коэффициент влагопроводности в пределе стремится к значению коэффициента фильтрации по мере наполнения пор водой. Перенос влаги в грунтах под действием градиента температуры достигает величин, вызванных градиентом давления влаги, или превосходит их. Применение кинетической теории прочности к дисперсным грунтам приводит к выводам, что «предел прочности» зависит от температуры и длительности испытания и, меняя эти параметры, можно изменять величину прочности в широких пределах (Королев и др., 1988).
Определяя зону влияния источников тепловой энергии на грунтовую толщу выделяют точечные, линейные и объемные очаги тепловыделения. Передача тепла осуществляется преимущественно кондуктивным путем через грунты или посредством подземных вод. (Жигалин, 1993). На основе решения уравнения теплопроводности Фурье были проведены расчеты и получены многочисленные решения для распределения температурного поля вокруг источников тепла. Рассчитан характер изменения температурного поля, в частности, в песчаных грунтах для различных интервалах времени после начала воздействия, (рис.13)
Распределение теплового поля в песчаных грунтах вблизи источника или поглотителя через один месяц (I), один год (II), десять (III) и сто (IV) лет. (по А.Д. Жигалину) Результаты исследований техногенных тепловых воздействий позволили сделать следующие выводы:
1. Грунтовые толщи в пределах урбанизированных территорий характеризуются сложным температурным режимом, который зависит от различных техногенных факторов.
2. Вокруг теплотрасс происходят значительные сезонные изменения свойств грунтов и на городских территориях могут реализовываться две основные схемы теплового техногенного воздействия на песчаные грунты. В открытой системе, то есть при возможности свободного испарения поровой влаги и инфильтрации, происходят сезонные изменения влажности и прочности грунтов. В закрытой системе, при отсутствии свободного испарения поровой влаги из нагреваемых грунтов (например, при наличии асфальтовых покрытий, насыпей и т.д.) происходит постоянное повышение влажности.
3. Повышение температуры может активизировать различные процессы в грунтах и приводить к изменению их состояния, структуры и свойств, что может отразиться на плывунности песчаных грунтов. Оценка химических воздействий осуществляется с использованием показателей концентрации и скорости массопереноса. Для экологических исследований, как правило, применяют понятие предельно допустимой концентрации (ПДК) и ориентировочно-безопасные уровни воздействий (Королев, 1995). Основное направление исследований в области химических техногенных воздействий это изучение загрязнения и очистки геологической среды, техническая мелиорация грунтов. Загрязнение грунтов хорошо изучено в экологических и эколого-геологических областях науки (Осипов, 1997, Королев, 2002; Андруз, 1999, и др.)
