Роль геоэкологических факторов в формировании плывунности песчаных грунтов

Песчаные грунты являются одной из составляющих геологической среды, которая в свою очередь является одной из главных жизнеобеспечивающих геосферных оболочек. Геологическая среда урбанизированных территорий сформировалась и подвергается интенсивному техногенному воздействию. Геологическая среда территории г. Москвы за длительную историю хозяйственного использования испытывала разнообразные техногенные воздействия. В пределах городской застройки подземное пространство пронизано густой сетью подземных коммуникаций, которые, в частности, вызывают подтопление территорий, нагрев грунтов, химико-биологическое загрязнение грунтов и вод, а также и другие техногенные воздействия. С одной стороны эти факторы относятся к инженерно-геологическим воздействиям, а с другой являются характерными геоэкологическими, среди которых, например, загрязнение уже давно является типичным для предмета геоэкологии. При этом техногенная трансформация геологической среды (т.е. техногенез) происходит с такой скоростью, что за короткие периоды времени могут измениться многие основные показатели свойств грунтов. Многими исследованиями отмечен факт ускорения техногенных трансформаций геологической среды.

Особенностью инженерно-геологических изысканий на территории города является проведение работ в пределах небольшого «пятна застройки» проектируемого здания, сооружения. В таких условиях возникают затруднения в анализе процесса подтопления в пределах конкретного участка, в оценке изменения свойств грунтов вследствие техногенных воздействий, а главное в прогнозе изменений геологической среды в пределах жизненного цикла строительного объекта.

Среди множества проблем в инженерно-геологической и экологической оценках геологической среды города оценка плывунности грунтов, т. е. способности переходить в плывунное состояние при различных воздействиях, всегда была одной из приоритетных. Кроме этого, проблема проявления плывунных свойств в дисперсных породах является одной из важных в современном грунтоведении. Плывуны обладают рядом своеобразных свойств, которые создают известные трудности при строительстве зданий и сооружений. Многие вопросы, касающиеся генезиса плывунов (генезиса «плывучести» дисперсных пород) изучены недостаточно. Остаются дискуссионными и некоторые вопросы терминологии.

Еще в 1859 г. П. Усов выделил плывуны в особый класс грунтов. Таких же взглядов придерживался и В. М. Карлович. В доказательство выдвинутого ими положения П. Усов и В. М. Карлович приводили описания некоторых типичных плывунов. В 1923 г. К. Терцаги выдвинул новое положение, состоящее в том, что подвижность грунта при образовании плывунов не присуща какому-либо особому типу грунта, а является результатом определенного гидродинамического режима. По его мнению, плывунность это не свойство грунтов особого типа, а состояние в котором могут пребывать самые различные грунты. Исследуя явления плывунности, А. Ф. Лебедев (1935) установил, что сходное по внешним признакам течение грунта наподобие вязкой жидкости может вызываться двумя совершенно различными причинами. В одних случаях плывунность грунта, как это подметил К. Терцаги, вызывается особым гидродинамическим режимомв других является следствием особых свойств грунта, определяемых минералогическим и гранулометрическим составом, и возникает на основе тиксотропных изменений его структуры.

А.Ф. Лебедев (1935) разделил понятия «истинные» и «ложные» плывуны. «Истинные» плывуны — это грунты с коагуляционными или смешанными структурными связями, обусловленными присутствием глинистых (<0,001 мм) частиц с высокими гидрофильными свойствами. Переход в плывунное состояние определяется невысоким гидродинамическим давлением и присутствием коллоидных частиц. «Ложные» плывуны или «псевдоплывуны» переходят в плывунное состояние под действием гидродинамического давления фильтрующейся воды.

И. В. Попов (1951) же считал, что разжижение грунтов не есть специфическое, всегда свойственное какому-либо типу грунта состояние, появляющееся в известных гидродинамических условиях. По его мнению оценка способности песчаных грунтов переходить в разжиженное состояние требует не только исследования состава и свойств песка в лаборатории, но и изучения гидрогеологических условий и прогноза их изменения в процессе строительных работ. И. В. Попов обращал внимание на то, что свойства песчаных грунтов, способных к разжижению, меняются при высушивании, поэтому все определения свойств необходимо проводить на образцах, сохранивших естественную влажность. Также он отмечал, что пески, пришедшие в разжиженное состояние, способны вновь упрочняться и объясняет это тиксотропным структурообразованием гидрофильных коллоидов.

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующее заключение: некоторые песчаные грунты обладают плывунностью, т. е. способны переходить в плывунное состояние при динамических, гидродинамических и др. механических воздействиях. Обзор литературного материала показывает, что в природе такие грунты широко распространены (Лебедев, 1935; Горькова, 1964, 1975; Иванов, 1978, 1983; Дудлер, 1967, 1970; Осипов, 1986, 1988; Вознесенский, 1996, 1999). По дисперсности они включают гранулометрические разности от пылеватых песков и супесей до легких суглинков разного генезиса.

Плывуны осложняют строительство, создают большие трудности в проходке строительных выработок. Они очень чувствительны к гидродинамическим воздействиям и динамическим нагрузкам, даже на значительно удаленных расстояниях от места возмущения. Таким образом, в строительной практике важно определить способность грунта переходить в плывунное состояние. А в условиях современного строительства в сложных геологических условиях и тесной городской застройке это особенно важно, учитывая многочисленные геоэкологические воздействия на грунты.

Известно, что изменение свойств грунтов является результатом происходящих в них процессов. В зависимости от характера процесса и его механизма, происходят изменения состава и состояния грунта, вследствие чего изменяются и его свойства. Рассмотрение таких изменений и их прогноз должны производиться с учетом воздействия не только природных, но и техногенных факторов.

В данной диссертационной работе рассматриваются песчаные грунты различного генезиса, обладающие плывунностью.

Под «плывунностью» автор понимает способность песчаных грунтов переходить в текучее состояние (разжижаться) вследствие частичной или полной потери структурной прочности и увеличения подвижности при динамических, гидродинамических и других механических воздействиях.

Актуальность работы. Плывуны довольно разнообразны и являются полигенными образованиями. Изучение плывунных грунтов любого генезиса имеет важное практическое и теоретическое значение, поскольку среди других задач до сих пор до конца не выяснено влияние техногенных факторов на проявление плывунных свойств.

Проблема надежной оценки динамической устойчивости песчаных грунтов чрезвычайно актуальна в силу целого ряда причин. Огромные территории, сложенные дисперсными грунтами находятся в сфере инженерно-геологической деятельности человека и использовании динамических нагрузок от разнообразных источников. Кроме того, расширение спектра и увеличение интенсивности техногенных динамических воздействий на геологическую среду, особенно в совокупности с нагрузками природного происхождения (сейсмическими, волновыми, ветровыми), часто способны нарушить устойчивость различных инженерных сооружений из-за снижения прочности и увеличения деформаций грунтов, возникновения и активизации неблагоприятных геологических процессов. Наконец, многочисленные случаи катастрофического сейсмического разжижения водонасыщенных песчаных и песчано-пылеватых грунтов, часто с человеческими жертвами и огромным экономическим ущербом, настоятельно свидетельствуют о необходимости надежной и адекватной оценке устойчивости таких чувствительных к динамическим нагрузкам дисперсных грунтов.

Анализ опыта инженерно-геологических изысканий на территории г. Москвы показал, что в настоящее время недостаточно простого соблюдения существующих норм и правил проведения изысканий. Без учета геоэкологических факторов, которые активно влияют на геологическую среду, нельзя надежно определить показатели свойств грунтов и быть уверенным в полноте и качестве изысканий.

По вопросам формирования плывунности песков различного генезиса накоплен определенный материал, на основе лабораторных и полевых исследований получены некоторые закономерности формирования плывунных свойств, предложены графические модели. Однако, целый ряд вопросов, связанных с формированием плывунных свойств песчаных грунтов, изучен недостаточно и требует дальнейших специальных исследований, поскольку имеющиеся сведения носят разрозненный характер и не позволяют представить целостную картину возможных путей формирования этих свойств. Исходя из этого, возникает необходимость выявить особенности формирования плывунных свойств с учетом комплексного влияния различных факторов: минерального состава, химического, дисперсного состава грунтов, морфологии частиц и других условий, в том числе в условиях сложной геоэкологической ситуации в пределах урбанизированных территорий.

Из всего этого следует, что получение новых закономерностей поведения песчаных грунтов при геоэкологических воздействиях и исследование других факторов, влияющих на их плывунность, является актуальной задачей как инженерной геологии, так и геоэкологии.

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:

1. Оценка степени влияния состава и структуры грунтов на формирование плывунных свойств, по результатам экспериментальных исследований и анализа литературных и фондовых материалов.

2. Изучение наиболее характерных геоэкологических воздействий и их источников в пределах городской застройки и промышленных зон, наиболее значимых по степени влияния на особенности состава и структуры песков.

3. 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.

4. Изучение закономерностей влияния геоэкологических факторов (подтопления, нагревания и химического загрязнения) на плывунность песчаных грунтов различного генезиса по данным инженерно-геологических изысканий и лабораторных испытаний.

5. Разработка рекомендаций по инженерно-геологическим изысканиям с целью выявления плывунных свойств песчаных грунтов.

Объектом исследований являются песчаные грунты, проявляющие плывунные свойства, широко распространенные на территории г. Москвы и Московской области.

Диссертационная работа является итогом работы автора в период обучения в очной аспирантуре на кафедре инженерной и геологии и геоэкологии МГСУ с 2004 по 2007 гг. Для работы по теме диссертации использованы данные, полученные в результате проведённых автором экспериментов над песками различного генезиса, данные лабораторных и полевых испытаний, архивные материалы.

Методика исследований и достоверность результатов. Исследования проводились с помощью современных методов грунтоведения по стандартным методикам с использованием стандартных приборов и оборудования. Достоверность результатов определена их сходностью с данными аналогичных работ других исследований песчаных грунтов и статистической обработкой результатов экспериментов. Научная новизна.

1. В результате комплексной оценки состава и структуры песков различного генезиса установлена 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. Впервые 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, нагрев и засоление грунтовприводят к радикальным изменениям в составе, структуре и свойствах грунтов.

3. Увлажнение и увеличение температуры грунта способствуют плывунности песковзасоление, чаще всего, наоборот, приводит к упрочнению песчаных грунтов за счет образования новых структурных связей.

4. При изменении химического 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-й 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, 18 таблиц, 27 рисунков. Список использованной литературы включает 139 наименований.

Выводы к Главе 5:

1. Как показывают проведенные исследования прочности песчаных грунтов различного генезиса, влажность, температура и химический состав воды оказывают существенное влияния на прочностные характеристики песков, что в свою очередь отражается на их плывунности.

2. При проведении инженерно-геологических изысканий и лабораторных исследованиях прочностных характеристик песчаных грунтов следует учитывать не только их актуальные показатели, но и динамику изменения их свойств в техногенно-измененном состоянии в условиях строительства и эксплуатации конкретного инженерного сооружения.

3. В ходе экспериментов были выявлены и изучены основные закономерности изменения плывунности песчаных грунтов при различных воздействиях, наиболее характерных для городской геологической среды.

4. На основе изучения морфологии, гранулометрического, химического и минерального состава песчаных грунтов были выявлены особенности формы и поверхности песчаных зерен, фракции, а также химические соединения и минералы в составе песков, оказывающие наибольшее влияние на плывунность песчаных грунтов различного генезиса.

ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ПОЛЕВЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ПЛЫВУННОСТИ.

Инженерные изыскания представляют собой важнейший этап любого строительного процесса. От полноты, продуманности программы и качества их проведения зависит уровень достоверности исходной информации для проектирования, который, соответственно, определяет степень учета при проектировании всех особенностей площадки строительства, правильность выбора рациональной конструкции сооружения, степень безопасности технологии его возведения, необходимость и объем проведения тех или иных предупредительных мероприятий и т. д., что в конечном итоге, во многом определяет стоимость и успех строительства в целом и надежность функционирования объекта при последующей эксплуатации.

Всевозможные техногенные факторы, особенно действуя в невыгодном сочетании, предъявляют специальные требования к проектированию и строительству в условиях городской застройки, заставляя проектировщиков для обеспечения надежной работы сооружения в течение всего срока эксплуатации прогнозировать возможные изменения (ухудшения) инженерно-геологической обстановки, что, соответственно, делает актуальным разработку новых методов прогнозов и расчетов, средств измерений и изысканий, норм на проектирование и строительство, контроль качества работ и т. д.

Песчаные грунты, обладающие плывунностью, осложняют строительство, создают большие трудности в проходке строительных выработок, устройстве котлованов и др. Таким образом, в условиях современного строительства в сложных геологических условиях и тесной городской застройке очень важно определить способность грунта переходить в плывунное состояние, учитывая многочисленные геоэкологические воздействия на грунты. Нами подтверждено, что песчаные грунты чувствительны к изменению влажностного и температурного режима грунтов, а также к их химическому загрязнению.

Поэтому весьма важным при изысканиях является использование фондовых материалов и баз данных для выявления возможных инженерно-геологических процессов и степени техногенного влияния на территорию.

Также представляется очень перспективным при проведении инженерно-геологических изысканий для дополнительной информации использовать в сочетании с бурением скважин, зондированием и полевыми испытаниями грунтов интегральные геофизические методы исследования массива, такие как, георадарсейсмический метод отраженных волн (MOB) в модификации общей глубинной точки (ОГТ) с использованием поперечных волн поляризацииметод электроконтактного динамического зондирования грунтов (ЭДЗ) и другие.

Наиболее тщательным лабораторным исследованиям должны подвергаться чувствительные водонасыщенные песчаные грунты.

В третьей главе настоящей диссертационной работы автором были рассмотрены различные «внутренние» факторы, влияющие на плывунность песчаных грунтов. Данные факторы были выявлены в результате анализа работ ученых, занимавшихся изучением процесса разжижения и плывунностью грунтов. На основании проведенных ими исследований можно сделать вывод о том, что плывунность песчаных грунтов обуславливают следующие показатели:

— низкая степень неоднородности Си =.

— низкая относительная плотность.

— гладкая поверхность частиц песка.

— средний размер частиц <0,25 мм.

— наличие в составе слоистых силикатов.

— содержание газов (степень водонасыщения больше 0,80).

— коэффициент пористости > 0,60.

— содержание тонкодисперсной фракции <0,005 мм более 3%.

Таким образом, плывуниость песчаных грунтов можно оценить по следующим значениям показателей:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении работы можно сделать следующие выводы:

1. На основе анализа работ многих ученых, занимавшихся проблемой плывунности песчаных грунтов и автора диссертационной работы были выявлены основные показатели, определяющие плывунность песчаных грунтов, а также внешние факторы, влияющие на развитие плывунности.

2. Геологическая среда в пределах урбанизированных территорий, часто сложенная различными песчаными грунтами, претерпевает существенные изменения, заключающиеся в том, что под влиянием разнообразных техногенных воздействий (увлажнения, гидравлического давления воды, химического загрязнения грунтовых вод, изменения температуры и т. д.), происходит изменение состава и структуры песчаных грунтов, приводящие, как правило, к ухудшению их свойств, что необходимо учитывать при инженерно-геологических изысканиях и прогнозах прочностного и деформационного поведения песчаных грунтов.

3. По результатам комплексных наблюдений за объектами на территории Москвы и МО, выявлены основные геоэкологические факторы, способные повлиять на проявление плывунных свойств песков: подтопление, нагрев грунтов и их химическое загрязнение.

4. В результате подробного изучения характера и прочности структурных связей песчаных грунтов различного генезиса при различных воздействиях, установлено, что влажность и температура оказывают существенное влияние на прочностные характеристики песков, что в свою очередь отражается на их плывунности. Причем в зависимости от преобладания тех или иных структурных связей (капиллярных, коагуляционных или коагуляционно-пластифицированных) влияние этих факторов выражено в большей или меньшей степени. Наибольшее влияние данные факторы оказывают на песчаные грунты с коагуляционно-пластифицированными структурными связями.

5. Техногенный гипергенез на урбанизированных территориях, как результат комплекса природных и техногенных воздействий, обладает большим потенциалом влияния на плывунность песчаных грунтов.

Как показывают проведенные исследования прочности песчаных грунтов, влажность, температура и химический состав воды оказывают существенное влияние не только на прочностные характеристики песков, но и на структуру и состав песчаных грунтов, существенно изменяя их. Таким образом, в результате техногенеза мы получаем новый «постгенетический» тип песка, отличающийся особенным составом и свойствами.

6. Влияние рассмотренных техногенных факторов на плывунность неодинаково в песчаных грунтах разного генезиса, что связано с особенностями морфологии, гранулометрического и химико-минерального состава данных песков. В частности в флювиогляциальных грунтах плывунность наиболее выражена по сравнению с аллювиальными и моренными песками.

7. При проведении инженерно-геологических изысканий и при лабораторных исследованиях прочностных характеристик песчаных грунтов следует учитывать не только их актуальные показатели, но и динамику изменения их свойств при геоэкологических воздействиях: подтоплении, повышении температуры и химическом загрязнении грунтов, возникающих при строительстве и эксплуатации конкретного инженерного сооружения. Особое внимание следует обратить на песчаные грунты, склонные к плывунности, а именно, обладающие следующими показателями:

— низкая степень неоднородности (менее 10).

— низкая относительная плотность (менее 0,4).

— гладкая поверхность частиц песка (А,<0,4).

— средний размер частиц <0,25 мм.

— наличие в составе слоистых силикатов.

— содержание газов (степень водонасыщения больше 0,80).

— коэффициент пористости > 0,60.

— содержание тонкодисперсной фракции <0,005 мм более 3%.