Проблемы лабораторного определения механических свойств полускальных нижнепермских грунтов г. Перми

УДК 624.15

И.А. Ощепкова, Е.Н. Сычкина

Пермский национальный исследовательский политехнический

университет

ПРОБЛЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУСКАЛЬНЫХ НИЖНЕПЕРМСКИХ ГРУНТОВ Г. ПЕРМИ

Представлен анализ инженерно-геологических условий г. Перми. Рассмотрены проблемы определения физико-механических свойств полускальных грунтов. Особое внимание уделено устройству фундаментов глубокого заложения на полускальных грунтах.

Ключевые слова: полускальные грунты, фундаменты глубокого заложения.

Территория г. Перми имеет сложные инженерно-геологические условия. Каждый из административных районов города в той или иной мере поражен опасными геологическими процессами, основным из которых является подтопление. Существующие тенденции застройки г. Перми сводятся к более рациональному использованию земель в пределах уже застроенных территорий, как следствие, возникает необходимость возведения высотных зданий и сооружений, а также сооружений повышенной сложности. Фундаменты таких зданий, как правило, глубокого заложения, опираются на полускальные и скальные нижнепермские грунты [1], залегающие на глубине 15-20 м.

Полускальные породы раннепермского возраста представлены толщей переслаивающихся песчаников, аргиллитов, алевролитов. Иногда встречаются маломощные прослои мергелей, известняков и конгломератов. Согласно анализу инженерно-геологических условий г. Перми [2] и классификации по ГОСТ 25100-95 [3] принимается, что толща сжимаемых грунтов основания, представленных аллювиальноделювиальными четвертичными отложениями, достигает 20 м [4]. Толща сжимаемых грунтов основания, как правило, подстилается по-лускальными либо скальными нижнепермскими грунтами (рисунок). Наиболее распространенной в пределах г. Перми является IV надпойменная терраса р. Камы.

Рис. Наиболее характерные для г. Перми типы оснований: а - 1-Ш надпойменная терраса р. Камы; б - IV надпойменная терраса р. Камы

В инженерно-геологическом разрезе г. Перми можно выделить два горизонта нижнепермских отложений. Первый представлен дисперсными четвертичными отложениями и выветрелыми, трещиноватыми, расцементированными полускальными грунтами и простирается до глубин 10-15 м. Модуль деформации Е в интервале 0,1-0,5 не превышает 5 МПа. Второй горизонт представлен полускальными и скальными нижнепермскими отложениями. Модуль деформации Е в интервале 0,1-0,5 колеблется от 15 до 100 МПа для различных литологических типов пород. В.А. Юминовым, М.Ш. Димухаметовым, В.Е. Малаховым было предложено при проведении изысканий под строительство с небольшими нагрузками на грунтовую толщу верхнюю наиболее выветрелую толщу коренных аргиллитов классифицировать как дисперсные грунты. При строительстве более ответственных объектов их следует относить к полускальным грунтам [5].

В связи с отсутствием региональных нормативных документов, учитывающих инженерно-геологические особенности г. Перми, большое внимание уделяется инженерно-геологическим изысканиям застраиваемого участка. Определение физико-механических свойств по-лускальных грунтов проводится на основании действующих ГОСТов

как для дисперсных, так и для полускальных грунтов. Основными являются испытания грунтов на прочность методами трехосного сжатия, одноплоскостного среза и на деформируемость (компрессия, трехосное сжатие) [4]. Для скальных и полускальных грунтов также определяется предел прочности на одноосное сжатие [6]. Однако, как показывает практика, не все перечисленные лабораторные методы удовлетворяют сегодняшним требованиям строительства. Проблемы расчета и моделирования оснований, сложенных полускальными грунтами, возникают при возведении высотных, массивных зданий и сооружений, в том числе и с развитой подземной частью, передающих значительные нагрузки на грунтовое основание. При взаимодействиях в системе «основание - фундамент - подземная и надземная части здания - окружающая застройка» в массиве грунта формируется сложное напряженно-деформированное состояние, которое трансформируется в пространстве и во времени в период строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Это обусловлено многочисленными факторами, и в первую очередь особенностями физико-механических свойств грунтов в массиве, к которым относятся: физическая и геометрическая нелинейность, неоднородность, анизотропность, пластичность и ползучесть, многофазность. При этом достоверная оценка напряженно-деформированного состояния системы существенно зависит от правильных оценок инженерно-геологических условий площадки строительства, в том числе от оценки физико-механических свойств грунтов, слагающих рассматриваемый массив, с учетом его исходного напряженно-деформированного состояния [7]. На глубине 20 м так называемое «бытовое» давление в грунте составляет до 500 кПа. Давление от высотных сооружений может достигать 500-600 кПа. В результате получаем нагрузки, необходимые для проведения лабораторных испытаний, порядка 1000 кПа. Данное давление возможно создавать и поддерживать далеко не во всех существующих лабораторных приборах. Кроме того, в настоящее время техника наиболее распространенных компрессионных испытаний такова, что не дает возможности избежать некоторых погрешностей в процессе работы. Наиболее существенными из них являются: а) нарушение структуры образца грунта при заполнении кольца компрессионного прибора (чем тоньше образец, тем больше сказывается это нарушение); б) наличие трения между образцом и стенками обоймы кольца прибора, что искажает результат компрессии; в) скорость загружения, которая особенно сказывается на

глинистых грунтах. Как итог - существенные различия в значениях модулей общей деформации, полученных в результате лабораторных исследований в компрессионных приборах (таблица).

Деформационные свойства полускальных нижнепермских грунтов

. о\ С ^ "В Краткая характеристика грунтов Г лубина залегания, м Модуль деформации Е в инт. 0,1-0,5, МПа, колеблется в пределах

і Глина полутвердая, Насыщенная водой 8,0 2,9

2 Глина твердая, влажная 28,0 2,8-4,7

3 Песчаник мелкий, однородный, влажный 12,0 4,1-6,4

4 Песчаник мелкий, однородный, насыщенный водой 13,0 26,7-76,6

5 Песчаник мелкий, однородный, влажный 14,0 4,7-14,9

Таким образом, существующие методы лабораторного определения прочностных и деформационных свойств грунтов не всегда эффективны при испытаниях полускальных нижнепермских грунтов. Наиболее существенные недостатки лабораторных исследований: 1) нарушение структуры образца грунта при заполнении кольца компрессионного прибора; 2) наличие трения между образцом и стенками обоймы кольца прибора; 3) скорость загружения, которая особенно сказывается на глинистых грунтах; 4) недостаточные напряжения, создаваемые в приборе (реальные нагрузки от здания достигают 1000 кПа). По мнению авторов, в связи с возрастающей ролью данных отложений в качестве оснований высотных зданий и сооружений повышенной сложности в г. Перми необходима разработка более эффективной методики лабораторных исследований механических свойств полускальных нижнепермских грунтов.

Список литературы

1. Ожгибесов В.П. Стратиграфия и геология Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. Общие и региональные стратиграфические подразделения пермской системы: справ.-метод. материал для студентов, аспирантов и преподавателей геол. фак. / Перм. гос. ун-т. -Пермь, 2006. - 20 с.

2. Калошина С.В., Пономарев А.Б. Об инженерно-геологических условиях строительства г. Перми // Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях: тр. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50-летию БашНИИстроя: в 3 т. - Уфа, 2006. - Т. 2 - С. 119-124.

3. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

4. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

5. Особенности классификации грунтов татарского яруса при инженерно-геологических изысканиях на нефтяных месторождениях ОАО «Удмуртнефть» / В.А. Юминов [и др.]. // Инженерные изыскания. - 2009. - № 6. - С. 16-21.

6. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии.

7. Тер-Мартиросян З.Г. Геотехнические проблемы высотного строительства // Геотехника. - 2010. - № 4. - С. 4-19.

Получено 12.09.2011