Введение к работе
Актуальность работы. Пески и песчаники составляют примерно пятую часть объема осадочной оболочки Земли, что превышает объем глин (11%) примерно в два раза (В.Н.Соколов, 2000). Ф.Дж.Петтиджон и А.Б.Ронов (1976) считали, что "песчаные осадки лучше других отложений способствуют пониманию геологической истории", т.к. лучше сохраняют признаки исходных материнских пород.
Пески используются в качестве оснований фундаментов, материала для насыпей и дамб, сырья для строительного производства.
Песчаные грунты считаются сложными образованиями.
И.М.Горькова (1975) в комплексной классификации грунтов отнесла пески к наименее изученным породам, требующим «дальнейшего накопления фактического материала».
И.В.Дудлер (1983) рекомендует преодолеть традиционное представление о том, что все особенности песчаных грунтов и закономерности формирования их свойств известны.
В.И.Осипов (1984), изучивший микроструктуру и свойства песчаных отложений, считает, что изучение природы их свойств было и остается одной из важнейших проблем инженерной геологии.
В условиях Северного Кавказа пескам как природным образованиям уделено незаслуженно мало внимания по сравнению с просадочными лессами и набухающими глинами. На территории г. Ставрополя таким слабо изученным типом отложений оказалась мощная (до 35 м) толща рыхлых пылеватых морских песков т.н. форштадтского яруса сармата, занимающая около 50 % площади города. На этих песках ведется массовое строительство и реконструкция многоэтажных жилых домов, в которых проживает половина населения краевого центра.
Десятки зданий, построенных на форштадтских песках, имеют трещины, ширина которых достигает 100 мм, многие дома и общественные здания стянуты металлическим тяжами (рис. 1).
Изыскатели и проектировщики считают пески надежными грунтами, а многочисленные деформации зданий объясняют низким качеством строительных работ. В обводненных песках изыскатели не могут отобрать ненарушенные монолиты, а строители отрыть котлованы.
Пылеватый песок является сейсмоопасным грунтом. Расчетное восьмибалльное землетрясение для Ставрополя будет катастрофическим.
Рис.1 Аварийные здания детской больницы и школы-лицея №14.
На улицах Ставрополя в песке часто происходят провалы дорожного покрытия, которые угрожают построенным зданиям (рис. 2).
Рис. 2. Провалы по ул. Морозова в центре г. Ставрополя.
Суффозионное разуплотнение четвертичных засоленных песков изучали Jennings J.E. and Knight К. (1957), А.Я.Рубинштейн и О.В.Сугакевич (1970), В.В.Михеев и В.П.Петрухин (1973; 1989), О.М.Преснов (1994), О.А.Сильченко (1978), А.А.Мустафаев (1985) и др. Структурная неустойчивость и недоуплотненность дочетвертичных морских песков выглядят парадоксальным явлением.
Цель работы - выяснение природы формирования структурной неустойчивости и недоуплотненности пылеватых морских песков на примере форштадтской толщи г. Ставрополя.
Основные задачи исследований:
1. Изучение геологической истории формирования и
современного состояния песчаной толщи г.Ставрополя.
-
Комплексная характеристика состава, структуры и свойств песков как специфических природных образований.
-
Выяснение природы и механизма доуплотнения песчаной толщи при техногенном воздействии в городских условиях.
4. Разработка рекомендаций по инженерно-геологической оценке
свойств структурно-неустойчивых песков с учетом особенностей их
состава и структуры.
5. Составить каталог деформированных зданий, выяснить
причины и дать прогноз их деформаций, предложить обоснованные
методы инженерной подготовки оснований на песках г. Ставрополя.
Методика исследований и достоверность результатов.
В качестве методологической основы исследований был принят естественнонаучный принцип генетического грунтоведения: "состав, структура, текстура и свойства пород формируются в процессе их генезиса и изменяются под влиянием постгенетических процессов: диагенеза, эпигенеза и гипергенеза" (Е.М.Сергеев, 1982).
Для выяснения природы формирования структурной неустойчивости и недоуплотненности форштадтских песков г. Ставрополя потребовалось изучить их состав, структурные особенности и физико-механические свойства в полевых и лабораторных условиях; установить особенности их формирования и дальнейшего развития в новых континентальных условиях с учетом возрастающей техногенной нагрузки; объяснить причины массовых деформаций зданий в краевом центре и дать рекомендации по укреплению слабых песчаных оснований. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена полевыми и лабораторными исследованиями, проведенными в Северо-Кавказском инженерно-геологическом центре Госстроя РФ, где автор работал в 1993-2003 гг. руководителем группы. Отбор монолитов песка автор производил из обнажений и скважин на площадках г. Ставрополя.
Научная новизна.
-
Обосновано применение генетического принципа к изучению песчаной толщи морских песков в условиях техногенной нагрузки на геологическую среду крупного города юга России.
-
Установлена природа и механизм структурной неустойчивости миоценовых пылеватых морских песков г. Ставрополя, обусловленной особенностями их состава, структуры и геологической истории.
-
Дан прогноз изменения свойств 35-метровой песчаной толщи, занимающей половину территории г. Ставрополя, при дальнейшем возрастании техногенной нагрузки.
4. Разработаны методические рекомендации по инженерно-
геологической оценке свойств морских пылеватых песков как
специфических грунтов юга России.
5. Разработаны и внедрены новые методы уплотнения
структурно-неустойчивых песков в основаниях строящихся и аварийных
зданий.
Основные защищаемые положения.
1. Морские дочетвертичные пылеватые пески при замачивании под нагруженными фундаментами обнаруживают дополнительные деформации, что позволяет отнести их к структурно-неустойчивым образованиям.
2. Формирование опасных свойств рассматриваемых структурно-неустойчивых песков следует объяснять на основе положений теории литогенеза, учитывающей изменение геохимических и геодинамических
7 факторов на всех этапах формирования песчаной толщи с возрастающей на нее техногенной нагрузкой в настоящее время.
3. Природа и механизм структурной неустойчивости морских
песков объясняется их недоуплотненным состоянием, возникшим на
ранней стадии литогенеза в условиях мелководного морского бассейна за
счет формирования точечных фазовых контактов между зернами кварца
(сцепления упрочнения по Н.Я.Денисову), и последующим
постгенетическим (эпигенетическим) разрушением структурных связей
при фильтрации воды в основаниях нагруженных фундаментов.
-
Инженерно-геологическое исследование рассматриваемых песков должно включать, помимо стандартных испытаний, регламентированных действующими строительными нормами, изучение недоуплотненного состояния и структурной прочности песков.
-
Основания существующих (аварийных) и строящихся на структурно-неустойчивых песках зданий в г. Ставрополе необходимо укреплять, в том числе методами, предложенными и опробованными с участием автора.
Практическая значимость работы.
Автор впервые собрал данные о массовых деформациях зданий, построенных на песках г. Ставрополя. При участии автора разработаны Рекомендации / 5 / и новые методы укрепления просадочных грунтов на аварийных и вновь строящихся объектах Северного Кавказа/12; 14; 20/. Апробация и внедрение результатов работы. Результаты исследований докладывались автором на заседаниях кафедры "Городское строительство и экспертиза недвижимости" СевКавГТУ; IV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2000); Четвертой Международной конференции «Циклы» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2002); VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2003); Четвертой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука - экономике России» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2003); пятой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука - экономике России» (Ставрополь, 2005; Международных научно-практических конференциях "Строительство-2002" и "Строительство-2004" (г.Ростов-на-Дону, РГСУ); Международных научных конференциях «Петрогенетические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии» и
8 «Инженерная геология массивов лессовых пород» (Москва, МГУ, 2002 и 2004); Международной конференции по геотехнике, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 2003); Международной конференции (Санкт-Петербург, 2005).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 25 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения, изложенных на 152 стр. машинописного текста, содержит 24 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 191 наименований.
Автор благодарит коллектив Северо-Кавказского инженерно-геологического центра и его бывшего директора, к.х.н. С.И.Пахомова за многолетнюю помощь в работе. Особую благодарность автор выражает научному руководителю, д.г.-м.н., профессору В.И.Коробкину.