Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние изученности инженерно-геологических условий Волгограда и прилегающих территорий 11
2. Характеристика инженерно-геологических особенностей территории г. Волгограда 19
2.1. Геоморфологические условия и рельеф 19
2.2. Геологическое строение 22
2.3. Гидрогеологические условия 30
2.4. Состав и физико-механические свойства фунтов 50
2.5. Геологические и инженерно-геологические процессы 74
3. Пространственные закономерности инженерно-геологических условий го рода 96
.3.1. Инженерно-геологическое районирование 96
3.2. Распространение специфических грунтов 105
3.2.1. Набухающие грунты 106
3.2.2. Просадочные грунты 108
3.2.3. Техногенные грунты 110
3.3. Распространение геологических и инженерно-геологических процессов 118
4. Инженерно-геологическое обоснование проектирования и строительст ва оснований и фундаментов на территории Волгограда 128
4.1. Сравнительная характеристика инженерно-геологических условий северной и южной части Волгограда 128
4.2. Исследования закономерностей несущей способности оснований и фундаментов 131
Заключение 138
Список использованных материалов 140
- Современное состояние изученности инженерно-геологических условий Волгограда и прилегающих территорий
- Состав и физико-механические свойства фунтов
- Распространение геологических и инженерно-геологических процессов
- Исследования закономерностей несущей способности оснований и фундаментов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы количество высотных зданий в Волгограде непрерывно возрастает, как и их высота (более 100 м). Как правило, многоэтажные здания возводят на свайных или плитных фундаментах. Вместе с тем инженерно-геологические условия (ИГУ) территории Волгограда достаточно сложные, что связано с распространением так называемых специфических грунтов. К ним относятся просадочные, набухающие, слабые и техногенные грунты.
Техногенные грунты вследствие высокой неоднородности в качестве естественного основания для плитных фундаментов не используются. При свайном варианте фундаментов они прорезаются сваями и опираются на слабосжимаемые грунты. К просадочным грунтам относятся покровные лессовые породы на водоразделах и склонах Приволжской возвышенности, а также погребенные лессовые породы ательского горизонта.
Набухающие грунты представлены глинами майкопской серии палеогена; при замачивании они увеличиваются в объеме, а давление набухания составляет 0,15-0,3 МПа. Другим типом набухающих пород являются глины хвалынского горизонта; их давление набухания достигает 0,5 МПа.
К слабым грунтам относятся озерно-аллювиальные глины и суглинки бекетовского горизонта, образовавшиеся около 10 тысяч лет назад и вследствие этого обладающие высокой пористостью, влажностью, сжимаемостью и крайне низкой прочностью, а также современные аллювиальные грунты.
Все перечисленные выше грунты не могут использоваться в качестве оснований плитных фундаментов без дополнительной подготовки.
Вместе с тем накопленный опыт испытаний свай статическими нагрузками (245 опытов) при длине свай до 30 м и диаметре до 1,5 м позволяет рационально использовать определенные несущие слои грунта для устройства свайных, плитных и других типов фундаментов.
Цель работы. Выявление пространственных закономерностей ИГУ территории г. Волгограда, оценка и прогноз их техногенных изменений.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- анализ современного состояния изученности ИГУ территории;
- изучение особенностей геологических, геоморфологических, гидрогеологических (ГГУ), геодинамических условий, состава и физико-механических свойств (ФМС) грунтов; несущей способности (НС) свай в различных типах грунтов;
- детализация, уточнение и дополнение по новым данным карты инженерно-геологического районирования (ИГР) территории и экспликации к ней;
- сравнительный анализ ИГУ северной и южной части Волгограда;
- оценка и прогноз изменений ИГУ территории под влиянием техногенеза.
Научная новизна.
- впервые для территории г. Волгограда разработана детальная характеристика геологического строения, тектонических, геоморфологических, гидрогеологических, геодинамических условий, состава и физико-механических свойств грунтов применительно к различным типам фундаментов, включая техногенные насыпные и намывные грунты;
- установлены принципиальные различия инженерно-геологических условий северного и южного подрайонов г. Волгограда;
- выявлены пространственные закономерности ИГУ, детализирована и уточнена на основе новых данных разработанная ранее (1981 г.) схема инженерно-геологического районирования территории;
- выполнена оценка и прогноз изменений инженерно-геологических условий территории г. Волгограда под влиянием техногенеза;
- выполнено детальное исследование 13 литологических горизонтов 90-100 метровой толщи скальных и полускальных пород палеогена и определение нормативных характеристик сжимаемости каждого горизонта по данным 112 испытаний грунтов статическими нагрузками на штампы; по этим данным установлена тесная связь между сжимаемостью и пористостью (=0,85);
- по данным 245 испытаний грунтов статическими нагрузками на сваи
диаметром от 0,3 до 1,5 м выявлены закономерности НС различных типов свай в 11 важнейших типах ИГУ.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, инженерно-геологических аналогий (ИГА), математической статистики, картографирования, районирования, инженерной геологии и неотектоники.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Прогноз негативных изменений в массивах горных пород, рельефе, ГГУ, опасных геологических процессах может использоваться и используется в проектных, строительных и изыскательских организациях Нижнего Поволжья при разработке защитных мероприятий. Результаты исследований автора, включая испытания уникальных глубоких забивных и буронабивных свай статическими и динамическими нагрузками, использовались при строительстве ряда многоэтажных зданий. Теоретические положения и методические разработки используются в учебном процессе в ВолгГАСУ при чтении лекционных курсов «Инженерная геология» и «Геоэкология».
Фактический материал. Работа выполнена на основе исследований автора, проведенных во время работы соискателем и обучения в аспирантуре на кафедре инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ. Кроме того, был использован большой объем опубликованной литературы и фондовых материалов: буровых, геологических, инженерно-геологических, ГГУ и других исследований различных изыскательских организаций: НижневолжТИСИЗ, ЗАО «Радиан», ООО «Стройинвест», Гипроводстрой и других.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Разработана детальная характеристика геологического строения, тектоники, геоморфологических, геодинамических условий, ГГУ, состава и свойств грунтов Волгограда применительно к различным типам фундаментов.
2. Выявлены пространственные закономерности ИГУ, детализирована и уточнена на основе новых данных схема ИГР территории.
3. Выполнены оценка и прогноз изменений инженерно-геологических
условий территории г. Волгограда под влиянием техногенеза.
4. Обобщены зависимости прочностных и деформационных свойств важнейших типов грунтов от их состава и физических свойств, определены значения НС различных типов свай в основных типах ИГР.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на отечественных и международных совещаниях и конференциях: VI Международной научно-практической конференции «Международные и отечественные технологии освоения ресурсов и глобальной энергии» (Астрахань, 2006-2007 гг.); Региональной научно-практической конференции «Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов» (Липецк, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области» (Волгоград, 2008 г.); «Ученые Волгограда – развитию города» (Волгоград, 2009).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 14 работах.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 150 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, 39 таблиц, 26 рисунков. Список использованной литературы включает 122 наименования.
Автор глубоко признателен научному руководителю проф. В.Н. Синякову за его поддержку, внимание и сотрудничество на всех этапах работы. Автор искренне признателен сотрудникам кафедры инженерной геологии и геоэкологии (ИГиГ), в особенности проф. С.В. Кузнецовой и доц. С.И. Маховой за ценные советы.
Современное состояние изученности инженерно-геологических условий Волгограда и прилегающих территорий
Систематическое изучение геологических условий территории началось со второй половины XVIII столетия. Первые сведения о геологическом строении появляются во второй половине XVIII века в отчете С.Г. Гмелина. В течение ряда лет геологическое строение Нижнего Поволжья изучал академик А.П. Павлов (1884, 1896 гг.) и профессор И. Синцов (1885, 1887 гг.). В 1896-1897 гг. А.П. Павлов расчленил палеогеновые и меловые отложения и определил основные черты тектоники Нижнего Поволжья. В 1907-1908 гг. А.Д. Архангельский разработал детальную схему расчленения мезозоя и уточнил тектонику обследованной территории. В 1923 г. А.Н. Мазарович вместе с Е.В. Милановским составил схему тектонического строения района бассейна реки Балыклейки, где Н.С.Шатским была открыта система грандиозных разломов. С 1926г. по 1929г. на рассматриваемой территории коллективом геологов (А.Д. Архангельским, Г.Н. Каменским, А.Н. Мазаровичем, В.И. Орловым, А.А. Белоусовым и,др.) производились геологические изыскания для строительства Волго-Доно-Азовской магистрали. В 1934-1938 гг. геологами Гидропроекта проводились инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта канала Волго-Дон. Важно отметить, что проведенные Гидропроектом исследования явились, по сути, первым крупнейшим и единственным инженерно-геологическим исследованием обширной территории в Волгоградской области. Полученные результаты заложили основы системного инженерно-геологического изучения территории Волгограда. Характерной особенностью района изысканий было широкое развитие толщ нескальных пород четвертичного и третичного возрастов.
Скальные породы здесь встречались как исключение в виде отдельных участков либо прослоев в толщах палеогеновых и меловых отложений.
Анализ материалов глубокого бурения позволил Ы.П. Синякову установить и проследить на расстоянии свыше 120 км древнюю погребённую речную долину, названную Палео-Доном. Важнейшее значение имело региональное изучение хвалынских шоколадных глин, отличающихся очень малой устойчивостью в откосах и склонностью к оползанию. Как известно, к хвалынским глинам на Нижней Волге приурочены наиболее крупные оползни. Аналогичные опасения вызывали они и при проложении трассы Волго-Донского канала на волжском склоне. Впервые этот весьма своеобразный и совершенно не изученный лито-лого-генетический тип пород был исследован на строительстве Волго-Донского канала (работы С.Н. Егорова), а затем на строительстве Сталинградской ГЭС. Из комплекса пород глинистого ряда следует выделить также древние глины,майкопского возраста. Несмотря на низкие показатели сопротивления сдвигу этих глин, а также на выраженную склонность к ползучести, именно на майкопских глинах были возведены ответственные напорные сооружения. Это оказалось возможным только в результате тщательного полевого и лабораторного изучения разреза и выявления инженерно-геологических особенностей глин (работы Н.М. Покровской, З.Л. Макеева). В конце 40-х начале 50-х годов разворачиваются крупнейшие инженерно-геологические изыскания Гидропроекта в зоне Сталинградской ГЭС, в ходе которых были выявлены чрезвычайно сложные инженерно-геологические условия строительства (Г.И. Горецкий, Г.А.Бражников, Н.П. Синяков). Сравнительно большой объем инженерно-геологических изысканий был вызван необходимостью решения ряда проблем, возникших в процессе проектирования сооружения. Для изучения майкопских глин в опущенном крыле сброса была пройдена шахта глубиной 43 м. Изучение трещиноватости и засоленности пород правобережного примыкания осуществлялось в штольнях и глубоких шурфах. Большое внимание уделялось изучению режима подземных вод. К тематическим исследованиям привлекались геологический факультет МГУ, Геологический институт АН СССР, Московский геологоразведочный институт, институты ВОДГЕО, ВСЕГИНГЕО и химии силикатов АН СССР.
На выбранном участке долины Волги протяжением около 10 км было рассмотрено три варианта размещения створа плотины: верхний по течению - Лотошинский, средний - Рынковский и нижний - Спартановский. Результаты изысканий показали, что на Лотошинском участке все правобережье Волги поражено оползнями, в связи с чем условия сопряжения плотины с берегом весьма неблагоприятны. На Спартановском участке неблагоприятными факторами являлись распространение в правобережном примыкании неустойчивых хвалынских глин и расширение долины до 18-30 км. Наиболее целесообразным было признано размещение гидроузла на Рынковском участке. На участке выбранного створа плотины долина Волги имеет ширину около 5 км. Правый берег, возвышающийся над урезом реки на 40-60 м, прорезан к югу от створа долинами двух небольших речек - Сухая и Мокрая Мечетка. Левый берег представляет собой равнину, поверхность которой лежит на 30-32 м выше уровня реки. Берег прорезан балками, из которых наиболее крупная балка Осадная расположена в верхнем бьефе гидроузла. К левому берегу примыкает широкая пойма, разрезаемая протоками на три острова. Основные черты геологического строения определялись крупным сбросом с амплитудой более 200 м, проходящим в левобережной части долины и скрытым под современным аллювием. Сброс делит долину Волги на западную и восточную части, отличающиеся по геологическому строению. Западная, приподнятая часть, включающая правобережье, русло реки и низкую пойму, сложена породами палеогена. Восточная, опущенная часть приурочена к левому борту долины, сложенному четвертичными отложениями, которые подстилаются майкопскими глинами мощностью более 80 м (рис. 4). Четвертичные отложения, включающие современный аллювий, делювий склонов, овражные и балочные отложения, а также отложения хвалынского, хазарского и бакинского ярусов, литологически представлены песками, супесями, суглинками и глинами.
Они выстилают дно и слагают левобережную террасу Волги. При детальных изысканиях в четвертичных отложениях было выделено 46 литологических горизонтов. Коренные породы района имеют неогеновый и палеогеновый возраст. Неоген представлен песками, которые залегают в опущенном крыле сброса и выполняют впадины в кровле майкопских глин. При характеристике палеогеновых свит был введен термин «песчано-алевритовые породы». Эти породы сложены песчаными зернами размером 0,25-0,1 мм с примесью 5-10% алевритового (пылеватого) материала. Они обладают не только коллоидными, но и жесткими связями; среднее значение временного сопротивления сжатию для очень слабосцементированных пес-чано-алевритовых пород около 0,15 МПа, а для слабосцементированных -около 0,55 МПа. В естественных обнажения и в искусственных выработках они держат почти отвесные откосы. В районе строительства Волгоградского гидроузла выделяются следующие главные структурные единицы: Прикаспийская синеклиза, Воронежская антеклиза, между которыми располагается Предбортовой прогиб фундамента, соответствующий в верхнем структурном этаже (карбон-кайнозой) Приволжской моноклинали. Приволжская моноклиналь наметилась как тектоническая единица в начале палеогена, а возможно, и ранее. Она не представляет собой простой структуры, а осложнена сравнительно крупными разломами и рядом мелких структур и нарушений. Большой Сталинградский сброс предопределяет геологическое строение право- и левобережья Волги. Справа, к западу от сброса, развиты мечет-кинекая и царицынская свиты палеогена, которые полого падают в юго-восточном направлении. Слева, восточнее сброса под четвертичными отложениями залегает майкопская свита, которая к юго-востоку сменяется породами балыклейской, пролейской и мечеткинской свит. Местами над ними развиты ергенинские пески. Породы опущенного крыла сброса падают в противоположном, северо-западном, направлении в сторону основного сброса.
Состав и физико-механические свойства фунтов
Характеристика состава и свойств грунтов, распространенных в пределах города, приводится по ранее выполненным работам (В.Н. Синякова, СВ. Кузнецовой, К.М. Пановой, С.Н. Егорова, Ю.И. Панова, Н.В. Коломенского, A.M. Кузнецова, Н.А. Самуся и др.), в которых для основных типов грунтов были разработаны региональные таблицы обобщенных характеристик, в том числе для просадочных грунтов - таблицы относительной просадочности, а для набухающих хвалынских глин - таблицы относительного набухания. В геологическом строении территории города принимают участие преимущественно дисперсные отложения четвертичной, неогеновой и палеогеновой систем. Они представлены подгруппами глинистых и лессовых пород и осадочных несвязных пород. Характерной особенностью территории Волгограда, вызванной засушливостью климата, низкой увлажненностью грунтов, является высокая чувствительность глинистых и лессовых грунтов к изменению влажности. В связи с крайне высокой неоднородностью техногенных накоплений, представленных грунтовой насыпью с включением строительного мусора, литейного шлака, формовочных песков, обобщение их физических свойств не представляется возможным. Глинистые породы. Среди глинистых пород четвертичного возраста в пределах города наиболее изученными и распространенными являются породы аллювиального, озерно-аллювиального и морского происхождения. Глинистые породы современных аллювиальных отложений представлены глинами и суглинками пойменной и старинной фаций. Содержание глинистой фракции в глинах пойменной и старичной фаций составляет в среднем 20,6-24,6 %, в пойменных суглинках в среднем 14,8 %. Характерной особенностью глинистых разностей аллювия является высокое содержание песчаных частиц, в основном, пылеватых, 25-26 % в глинах и 45 % в суглинках.
Показатели свойств пород приведены в таблицах 2, 3 и 4. Для этих пород характерно изменение физико-механических свойств в вертикальном разрезе - увеличение влажности с глубиной, сопровождающееся соответствующими изменениями объемной массы, консистенции, степени влажности и др. Аллювиальные и озерно-аллювиальные верхнечетвертично-современные глинистые породы распространены в пределах Бекетовской низины и Сарпинской низменности и представлены преимущественно темно-серыми иловатыми, карбонатизированными глинами и суглинками. Глины характеризуются значительным разбросом показателей физических свойств: влажность на границе текучести колеблется от 0,31 до 0,81, на границе пла стичности от 0,18 до 0,39, число пластичности от 0,17 до 0,42. Природная влажность изменяется от 0,17 до 0,52, степень влажности от 0,75 до 1,0, консистенция от твердой до текучей, но преимущественно мягкопластичная. Для пород характерна высокая сжимаемость и низкое сопротивление сдвигу, показатели свойств пород приведены в таблице 5. Глинистые породы морского происхождения представлены глинами и суглинками нижнехвалынекого возраста, имеющими широкое распространение в пределах Прикаспийской низменности (Красноармейский, Кировский районы, небольшие участки в Тракторозаводском, Центральном, Ворошиловском, Советском районах). Морские нижнехвалынские глины по условиям залегания, определяющим их свойства, подразделяются на два типа. Первый тип - глины залегают в относительно глубоких депрессиях. В пределах города они залегают на породах хазарского горизонта и ниже уровня грунтовых вод. Мощность их на некоторых участках достигает 25м. Второй тип глин распространен на более высоких отметках, перекрывает породы ательского горизонта и находится выше уровня грунтовых вод. Мощность глин невелика и изменяется от 0 до 5 м.
Глины разбиты сетью трещин, сильно выветрелы. Нижняя часть разреза представляет частое переслаивание глин с тонкими прослоями пылеватого песка. Минералогический и гранулометрический состав глин обеих разновидностей не имеет существенных отличий, что установлено работами Н.С. Реутовой (1958), С.Н. Егорова (1964) и др. Различие в гидрогеологических условиях обусловило и различное содержание в глинах легко и средиерастворимых солей, которое составляет в глинах первого типа - 1,01 %, а в глинах второго - 0,2 %. Наиболее значительны различия физико-механических свойств этих глин. Так, глины первого типа имеют более высокую влажность и пористость, повышенную глинистость, низкие значения угла внутреннего трения, удельного сцепления и модуля деформации. Глинистость глин второго типа (положительных структур) меньше, влажность невелика, пористость низкая, показатели механических свойств высокие (табл. 6).
Распространение геологических и инженерно-геологических процессов
Свалочные грунты входят в состав техногенных или искусственных грунтов, к которым принадлежат также еще две группы: 1) грунты, аналогичные по составу природным грунтам (перемещенные глины, суглинки, глины, пески, обломочные отложения); 2) грунты, состоящие из отходов строительного и промышленного производства (строительный мусор, шлаки, золы и т.п.). Ранее площади свалок считались пригодными только для посадки зеленых насаждений, однако в последние годы они интенсивно используются в городах для различных видов строительства, в том числе жилищного. Изучением свалочных грунтов занимались Ф.В. Котлов (1947, 1962), A.M. Худайбаргенов (1963), Р.С. Зиангиров, Л.С. Воскресенская, А.П. Афо нин, Ю.Ф. Якимов (1980), В.В. Бабак (1997), А.Д. Потапов, И.В. Дудлер (2000), В.Н. Коротаев (2002). Д. Сауэрс (D. Sowers, 1973) обобщил данные по несущей способности, осадке, биогазу, выщелачиванию и коррозионной активности свалочных грунтов. Грунты свалок заслуженно считают наименее благоприятным основанием зданий и сооружений. Их главные недостатки следующие: 1. Высокая сжимаемость, пористость и проницаемость, обусловливающие большие осадки-до 1,5 раз. 2. Очень большая неоднородность вещественного состава, резкое изменение его по простиранию и глубине; соответственно варьируют и несущая способность, неравномерность осадок, возможность деформации сооружений. 3. Большое содержание органических включений, химически агрессивных (кислотных, щелочных) компонентов. Органическое вещество встречается в виде сплошных скоплений или включений; разложение его сопровождается образованием пустот и может вызывать дополнительную осадку. 4. Отсутствие естественной сортировки материала. В связи с этим свалочные толщи имеют внутри пустоты и степень уплотнения их неодинакова.
Многие разности имеют рыхлое сложение. 5. Неравномерное распределение мощностей на коротких расстояниях. 6. Наличие высоко агрессивного фильтрата. Свалочные фунты являются эволюционирующими, причем в отличие от других грунтов изменение их состава и свойств происходит в течение короткого времени, сравнимого со сроками службы инженерных сооружений и даже со сроками их проектирования и строительства. Инженерно-геологические свойства свалочных грунтов изучены слабо, поскольку в процессе инженерных изысканий для строительства они, как правило, не изучаются, так как не рассматриваются в качестве оснований сооружений и обычно прорезаются сваями или вывозятся на другую свалку. В Волгограде по данным Госкомприроды ежегодно образуется до 2,0 млн. тонн отходов производства и потребления, номенклатура которых насчитывает 300 наименований. Основная их часть (около 90%) складируется на пяти полигонах твердых бытовых отходов и девяти промышленных полигонах. На сегодняшний день уже накоплено около 50,0 млн. тонн отходов. Особую тревогу вызывает образование стихийных свалок, площадь которых составляла в 1998 году более 20,0 тыс. м". По данным 2003 года по городу Волгограду выявлено, что наибольшее количество несанкционированных свалок находится на территории Ворошиловского (48), Дзержинского (44), Кировского (29)
Центрального (28) и Тракторозаводского (21) районов. Общая площадь земель, загрязненных и захламленных несанкционированными свалками, составляет 80 га, на которых размещено 267583 куб. м промышленных и бытовых отходов. Данные об инженерно-геологических условиях полигонов ТБО и промышленных полигонов практически отсутствуют (Синяков и др., 2004). Насыпные грунты являются самым распространенным типов грунтов в Волгограде, особенно в пределах засыпанных оврагов и представлены пес-чано-глинистыми разностями, часто с включением кирпичной щебенки, бутового камня, шлака. Процент включений колеблется от 20 до 60%. Распространены они повсеместно. Наибольшая мощность их приурочена к засыпанным траншеям инженерных коммуникаций. На участках крупных засыпанных оврагов Архитектурного, Долгого, Крутого и многих других, а также в долине реки Царицы, мощность грунтов увеличивается до 13,9 м - 21,5 м. Эти грунты и здесь неоднородны, представлены песчано-глинистыми разностями, обломками кирпича, щебня, шлака, строительно-бытовых отходов, где грунтовый заполнитель имеет подчиненное значение, иногда с остатками перегнившей древесины и костями. Отрицательное воздействие на инженерно-геологическую обстановку города насыпных грунтов заключается в том, что многие сооружения, возведенные на недоуплотненные грунтах, могут претерпевать деформации за счет неравномерных осадок. Это может повлечь за собой перебои в тепло- и газоснабжении, аварии на коммуникациях, деформации трубопроводов, дорожного полотна. Давность засыпки и замыва оврагов превышает 48 лет. Она производилась неорганизованно, поэтому весьма трудно по разведочным выработкам дать полную картину о способе засыпки, плотности и однородности слоев. Опробованы и до некоторой степени изучены только наиболее однородные разности насыпных грунтов, являющиеся заполнителем между крупными несжимаемыми включениями. Насыпные грунты изучались в Волгограде на площадке вблизи Мамаева кургана в 2007 г. К моменту исследований была выполнена инженерная подготовка территории, т.е. тальвежные части оврагов были засыпаны песком, а выше на всей территории были отсыпаны суглинистые грунты с уплотнением. Исследуемый грунт представлен суглинками коричневыми и желтовато-коричневыми, карбонатизированными, ожелезненными, с гнездами серых глин и песков, с включением крупных известковых камней.
Исследования закономерностей несущей способности оснований и фундаментов
Как указывалось выше, количество высотных зданий в Волгограде и их высота непрерывно возрастает (более 100 м). Как правило, многоэтажные здания возводят на свайных или плитных фундаментах. Вместе с тем инженерно-геологические условия территории Волгограда достаточно сложные, что связано с распространением так называемых специфических грунтов (раздел 3.2). Первым от поверхности горизонтом являются техногенные грунты, по преимуществу насыпные и намывные. Вследствие высокой неоднородности в качестве естественного основания для плитных фундаментов они не используются, хотя сроки их самоуплотнения давно исчерпаны. При свайном варианте фундаментов эти грунты полностью прорезаются сваями и опираются на слабосжимаемые фунты. К просадочным грунтам относятся в первую очередь покровные лессовые породы LQni, широко распространенные на водораздельных пространствах и склонах Приволжской возвышенности. Кроме того, просадочными являются погребенные лессовые породы ательского горизонта LQmat. Оба типа грунтов проявляют просадочность при замачивании. Набухающие грунты представлены древними глинами майкопской свиты палеогена Рзтк; при замачивании они увеличиваются в объеме, а дав ление набухания составляет 0,15-0,3 МПа. Другим типом набухающих при замачивании пород являются глины хвалынского горизонта Qmhv; их давление набухания достигает 0,5 МПа.
К слабым грунтам относятся озерно-аллювиальные глины и суглинки бекетовского горизонта, образовавшиеся около 10 тысяч лет назад и вследствие этого обладающие высокой пористостью, влажностью, сжимаемостью и крайне низкой прочностью. Вполне понятно, что все перечисленные выше специфические грунты не могут использоваться в качестве оснований плитных фундаментов без искусственного укрепления грунтов. Ниже рассматриваются результаты 245 натурных испытаний свай (см. таблицу 39) статическими нагрузками в различных инженерно-геологических условиях . Сваи-стойки сечением 0,3 х 0,3 м. Важнейшим в Волгограде опорным слоем для свай являются песчано-алевритовые породы мечеткинской свиты палеогена Р2т. Толща этих пород имеет своеобразный вещественный состав и относится к типу пород с жесткими связями. По существу они представляют разновидности, промежуточные между песками и песчаниками, образуя гамму пород разнообразной прочности. Причем, песчаники играют среди них подчиненную роль и залегают в виде караваев или маломощных пластов, обычно называемых плитами. Основные породообразующие значения в этих породах принадлежат кварцу, глаукониту, опалу и цеолиту. Кварц доминирует и составляет до 90-95% материала. Глауконит встречается обычно в количестве до 15-25%. Опал определяет прочность породы. Последняя же зависит не только от его количества, варьирующего от нескольких процентов до 20-30% и даже 50%, но и от его типоморфной разновидности. Наибольшая прочность вызывается стекловидным опалом, нередко переходящим в халцедон или кварцит. Последние служат цементом очень крепких «сливных» или «кварцитовид-ных» песчаников с временным сопротивлением сжатию свыше 100 МПа. Эти породы образовались более 60 миллионов лет назад, и с тех пор их прочность только увеличивалась.
Глубина забивки свай в эти грунты чрезвычайно редко превышает 3 м, при продолжении забивки сваи разрушаются. Несущая способность свай, опирающихся на песчано-алевритовые породы, не зависит от длины свай и обводненности грунтов; это типичные сваи-стойки. Аналогичная несущая способность (95-100 т) характерна и для песчано-алевритовых пород другой свиты палеогена — царицынской. Сваи в глинах киевской свиты палеогена обеспечивают несущую способность 90 т при длине свай 4,0-5,6 м. Пески ергенинской свиты неогена обеспечивают несущую способность свай длиной 3,0-4,5 м в диапазоне 75-90 т. Сваи длиной 5 м в хазарских песках имеют несущую способность 80 т, длиной 13 м - 125 т. Висячие сваи сечением 0,3 х 0,3 м. Результаты испытаний свай этого типа, зависящие от несущей способности как под острием, так и по боковой поверхности, имеют наименьшую несущую способность, что вполне соответствуют физико-механическим свойствам грунтов, окружающих сваи. К ним относятся: - верхнечетвертичные глины хвалынского горизонта mQmhv, которые выше уровня грунтовых вод при длине сваи 5 м обеспечивают несущую способность 70-85 т, снижающуюся при обводнении до 35 т; - озерно-аллювиальные глины и суглинки бекетовского горизонта 1-aQiiuvbk. подстилаемые хвалынскими глинами mQmhv; при длине свай 16-21 м несущая способность равна 40-45 т; - озерно-аллювиальные глины и суглинки aQm-iybk при длине свай 21,6-23 м — 67 т; - лессовые породы LQIIb которые при длине свай 4,5-6,5 м обеспечивают несущую способность 30-40 т (опыты с замачиванием); - глины майкопской свиты палеогена Р-зтк, которые при длине свай 7 м выдерживают нагрузки до 95 т; - лессовые породы LQin, подстилаемые глинами майкопской свиты Рзтк, которые при длине свай 8,5 м имеют несущую способность 80 т;
