Инженено-геологическое строение и физико-механические свойства грунтов лимногляциальных отложений г. Санкт-Петербурга

УДК 622: 131

Д. Ю. Здобин1, Л. К. Семенова2

ИНЖЕНЕНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ ЛИМНОГЛЯЦИАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Одной из главных инженерно-геологических особенностей территории г. Санкт-Петербурга является мощная толща пылевато-глинистых лужских озерно-ледниковых отложений 1§Ш 1г), максимальное развитие получившая в северной части города.

Лужские озерно-ледниковые отложения залегают на одноименных отложениях морены. Лужская морена распространена почти повсеместно на рассматриваемой территории, мощность ее от 0 до 30-45 м., средняя — 15 м. Она представлена песчано-глинистыми породами с включениями гравия и гальки (5-30 %). Толща часто включает линзы и прослои внутриморенных водноледниковых отложений, представленных песками, супесями и суглинками [1].

Озерно-ледниковые слои представлены несколькими литологическими разновидностями, из которых наибольшее распространение имеют отложения приледниковых озер, сформировавшихся в период таяния ледника, а также отложения внутриледниковых озер, слагающих камовые гряды. Их мощность разнообразна — от 4 до 20 м, с возрастанием до 40 м в камовых массивах Юкковской, Токсовской, Колтушской возвышенностей. Это преимущественно пески мелкие и пылеватые, с линзами крупных и гравелистых песков, супесей и суглинков. Связанные грунты имеют подчиненное значение. Среди них преобладают супеси пылеватые, содержащие прослои и линзы песков, реже суглинков текучепластичных. Включения гравия отсутствуют или незначительны (до 3 %).

Рассматриваемые отложения (табл. 1) можно назвать межстадиальными, т. к. они залегают между лужской мореной и ее айсберговой фацией. Мощность айсберговой морены невелика и составляет 2-3 м. Она не имеет сплошного покрова, залегает в виде небольших пятен на отдельных холмах камовых возвышенностей. Скорее всего, лужский приледниковый бассейн без каких либо заметных перерывов сменился возникшим на его месте обширным Балтийским ледниковым озером [2].

Оценивая в инженерно-геологическом отношении разрез озерно-ледниковых отложений в целом, необходимо отметить значительную неоднородность разреза. Так, супеси песчанистые имеют меньшее распространение, чем супеси пылеватые. Пески пылеватые тяготеют к низам толщи, а в целом пески пылеватые преобладают над супесью пылеватой. Нередки случаю частого переслаивания различных грунтовых разностей, что вполне объяснимо с точки зрения истории образования озерно-ледниковой толщи отложений.

Подробно рассмотрим физико-химические свойства (табл. 2) и гранулометрический состав (табл. 3) озерно-ледниковых отложений.

1 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург

2 Трест геодезических работ и инженерных изысеканий, Санкт-Петербург

© Д. Ю. Здобин, Л. К. Семенова, 2009

Схематический инженерно-геологический разрез северной части территории

г. Санкт-Петербурга

Возраст и генезис Вид и разновидность грунтов Мощность, м.

IV техногенные грунты 0,0-2,0

т,1 IV пески пылеватые с прослоями супеси насыщенные водой 2,0-3,0

супеси пылеватые серые с прослоями песка текучие 3,0-16,0

^ III Ь1 суглинки пылеватые серые ленточные с прослоями песка 16,0-20,0

суглинки пылеватые коричневые ленточные текучепластичные 20,0-23,0

^ III к супеси пылеватые или песчанистые серые пластичные или текучие 23,0-25,0

пески пылеватые плотные насыщенные водой 25,0-30,0

g III к супеси песчанистые серые с гравием твердые 30,0-32,0

Таблица 2

Физико-химические свойства озерно-ледниковых отложений

ть М н 1 & з а рц е § ^ § ^ еь Є Р тс с ^ § о * ла в а ст не нть куче .е. 1 н * § і ли Ван р г Влажность на границе раскатывания Шр, д. е. Число пластичности 1р Плотность, р, г/см3 !| ^ <* ть р,, с ,а от Коэффициент пористости е Степень влажности Бт тенция ист нси онК

Супесь пылеватая 0,26 0,27 0,21 0,06 1,99 2,70 0,71 0,99 0,83

Супесь песчанистая 0,25 0,27 0,21 0,06 2,01 2,70 0,679 0,99 0,67

Песок пылеватый 0,22 - - - 2,03 2,65 0,593 0,98 -

Таблица 3

Гранулометрический состав озерно-ледниковых отложений

Разновидность грунта % содержание частиц по фракциям

2,0-1,0 1,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 <0,005

Супесь пылеватая - - 0,9 1,4 36,5 39,1 10,1 12,0

Супесь песчанистая - - 0,2 0,2 50,1 32,6 6,6 10,3

Песок пылеватый - - - 2,3 56,3 32,6 3,7 5,1

Прежде всего грунты данного литологического горизонта тиксотропны и отдают свободносвязанную воду уже на стадии отбора и транспортировки образца грунта в лабораторию. При вибрации происходит перераспределением воды в объеме монолита вне зависимости от его пространственного положения: при вскрытии последнего в верхней части образца скапливается вода. Таким образом, нижняя часть образца становиться более плотной, в отличие от верхней текучей.

Как видно из табл. 2, физико-химические показатели свойств пылеватых и песчанистых супесей практически одинаковы, и обладают значениями Ше (0,24-0,28),

Wl (0,23-0,27), коэффициентом пористости (е = 0,645-0,745) и показателем консистенции (0,5 < II < 1, часто II > 1). Разделение их на две разновидности при лабораторных исследованиях основывается исключительно по показателям гранулометрического состава. В песчанистой супеси фракции (2,0-0,05) более 50 %, тогда как в супеси пылеватой данной фракции менее 50 %. Пески пылеватые имеют несколько меньшую влажность (0,20-0,23) и коэффициент пористости (е = 0,575-0,645), большую плотность (2,03 г/см3) по отношению к супеси. В гранулометрическом составе изучаемых отложений преобладают частицы

0,1-0,01. Их суммарная величина >60 %. Главное отличие песков пылеватых от супесей пылеватых является количество фракции <0,005. Если ее содержание менее 7 %, то это песок пылеватый, если же 7-12 % — то супесь пылеватая. И у песков пылеватых и у супесей пылеватых фракция 0,1-0,01 представлена кварцем, полевым шпатом и биотитом.

Принципиальным для рассматриваемых грунтов в классификационном отношении является вопрос о числе пластичности. Общепринято при определении влажности нижнего предела пластичности (метод раскатывая грунта в жгут) подразделять глинистые грунты на разновидности. При 1р 1-7 грунты относят к супесям, при 7-17 к суглинкам, более 17 к глинам. Подчеркнем, что получаемое значение 1р субъективно и зависит от квалификации оператора. При детальных грунтовых исследованиях особые разногласия в интерпретации этого показателя возникают при граничных значениях 1р = 7 и 1р = 17. Крайне редко возникают вопросы о границе раздела связных и несвязных грунтов, т. е. грунтов с числом пластичности 1-2. Нами все виды грунтов с пограничным числом пластичности 1, 7, 17 условно названы «переходными грунтами», т. к. для полного выяснения их физико-механических свойств к ним необходимо применять методы исследования, присущие разным группам грунтов.

В нашем случае песок пылеватый тоже обладает минимальной пластичностью. Он (не без определенных трудностей) все же раскатывается в жгут, давая величину 1р = 1-3. Для грунтов классифицируемых как супеси пылеватые число пластичности 1р =3-7 (табл. 4).

Таблица 4

Характеристики пластичности озерно-ледниковых отложений

Характеристика пластичности % содержание частиц по фракциям

Песчаная 2-0,05 Пылеватая 0,05-0,005 Глинистая <0,005

Раскатывается 1р = 3-7 10-60 30-50 7-12

Практически не раскатывается 1р = 13 50-60 30-40 5-7

Крайне интересен минеральный состав пылеватых грунтов. Рентгеноструктурные исследования фракции <0,005 показали, что в ней присутствуют кварц, биопит и полевые шпаты. Глинистые минралы практически полностью представлены иллитом (гидрослюда) и каолинитом в соотношении 70-30 %. Именно минимальное наличие смешаннослойных минералов с подвижными кристаллохимическими мотивами и определяет пластичность грунтов. Установлено, что если суммарное содержание фракции <0,005 — 7-12 % грунт проявляет пластичность, если 7 % и менее, то нет.

Таким образом, увеличение содержания в грунте фракции <0,005 на 3-5 % переводит грунт из одной классификационной группы (несвязанные — песок пылеватый) в другую (связные — супесь пылеватая).

Определение механических свойств (значений сопротивления сдвигу — т) озерноледниковых отложений сопряжено с определенными трудностями. Приложение стандартных вертикальных рекомендованных нагрузок попросту не представляется возможным, т. к. данный пылеватый грунт отдает воду даже без прикладывания к нему нагрузки. Если же производить сдвиговые испытания методом естественной прочности И. П.Иванова, то для данных грунтов вертикальные нагрузки составят 0,025, 0,05 и 0,075 МПа. При нагрузках 0,025 и 0,05 МПа получаются низкие значения т (ф (угол внутреннего трения) = 5-15°, с (величина сцепления) — 0,00-0,015 МПа), при нагрузках 0,075 МПа и более грунт одномоментно переуплотняется: угол внутреннего трения растет, величина сцепления стремится к нулю, что характерно для песков. При некоторой временной выдержке в эксикаторе загруженного в кольцо образца грунта, подготовленного для проведения сдвигового испытания, происходит вторичное перераспределение воды: нижняя часть грунта в кольце уплотняется, значения т резко увеличивается, и ф возрастает до величин более 30°.

При статическом зондировании данных песчано-пылеватых грунтов значения сопротивлений под конусом зонда (лобовое) обычно высокое (супеси пылеватые до 5 (реже 7)) МПа, пески пылеватые — более 10 МПА, что совершенно не соответствует полученным II, но хорошо соотносится с коэффициентом пористости, по которому можно сделать вывод о плотности сложения пылеватого грунта (табл. 5).

Таблица 5

Характеристики плотности сложения, пористости и сопротивления озерно-ледниковых отложений

Плотность сложения Коэффициент пористости Лобовое сопротивление грунта, q, МПа

рыхлая >0,8 <2

средней плотности 0,6-0,8 2-7

плотная <0,6 >7

Необходимо подчеркнуть текстурно-структурные особенности толщи данных отложений: это по существу иррегулярное переслаивание песков и супесей пылеватых, и часто в одном отобранном монолите верх представлен супесью, а низ песком (или наоборот). Налицо явное противоречие — фациально идентичные грунты приходится относить по разным классификационным группам: супеси пылеватые и песчанистые к виду глинистых связанных грунтов, а пески пылеватые к несвязанным.

На наш взгляд, представляется целесообразным весь горизонт лужских пылеватых озерно-ледниковых отложений на территории г. Санкт-Петербурга объединить в один классификационный таксон, и обозначить его термином, — «пыль», тем самым, исключив путаницу и двоякое толкование номенклатуры одного и того же грунта.

Следует отметить юридический казус в ныне действующем ГОСТ 25100-96 «Грунты. Классификация». Выдвинутое нами предложение рассматривается одновременно и в соответствии (второй абзац) и в разрезе (третий абзац) существующего общефедерального классификационного стандарта. Поэтому двоякое толкование документа, по всей видимости, позволит ввести это понятие на региональном уровне — «Устройство фундаментов гражданских зданий и сооружений в Санкт-Петербурге и на территориях административно подчиненных Санкт-Петербургу. ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург».

Для данной толщи следует классификационными показателями первого порядка признать тиксотропность и гранулометрический состав. В комплекс лабораторных определений

надо включить также естественную влажность, плотность грунта, влажности на пределах текучести и раскатывания (если возможно). Прочностные свойства грунтов определять по данным статического зондирования, а лабораторные определения угла внутреннего трения и величины сцепления определять в исключительных случаях и по возможности в приборах ВСВ-25 при вертикальных нагрузках 0,0125-0,025-0,05 МПА.

Критериями выделения пыли следует признать:

• преобладание в гранулометрическом составе фракция 0,1-0,01 > 60 %;

• число пластичности -0,01-0,07;

• тиксотропность;

Кроме определений основных физико-механических свойств озерно-ледниковых грунтов территории г. Санкт-Петербурга для выяснения их дальнейшей эволюции был проведен опыт по выявлению их возможной просадочности в подсушенном состоянии (рис. 1). Как известно, просадочность, наряду с доминирующим положением в гранулометрическом составе пылеватых частиц, макропористостью и карбонатностью является основным генетическим признакам для выделения лессовых пород, причем карбонат-ность и макропористость относятся к эпигенетическим свойствам. Проведенные нами исследования показали, что данная разновидность грунтов обладает незначительной, но отчетливо выраженной просадочностью (хотя при естественной влажности они не про-садочны — коэффициент водонасыщенности (5г) = 1). Уплотнение грунта при замачивании начинается при Sr < 0,75 и при достижении грунтом влажности близкой к нижнему пределу пластичности. На данном этапе работ, изученные нами озерно-ледниковые отложения можно условно назвать «протолессами».

Таким образом, из проведенных исследований следует несколько выводов:

1. Необходимость детальнейшего комплексного исследования так называемых «переходных грунтов» (система «супесь пылеватая — песок пылеватый»), более чем очевидна. Возможно, класс переходных грунтов нужно существенно расширить и включить в них такие грунтовые системы, как «глины текучие — илы глинистые» (1р = 16-18).

2. Представляется целесообразным ввести в региональный стандарт «ТСН» термин «пыль», со всеми вытекающими отсюда корректировками классификации грунтов.

3. Необходимость нового описания и паспортизации грунтов Санкт-Петербурга очевидна. Причем помимо физико-механических свойств грунтов, их латеральной и вертикальной изменчивости в пределах города следует уделить особое внимание изучению минералогического состава глинистых минералов, элементному составу органического вещества. Пристальное внимание уделить органо-минеральным и загазованным грунтам [3].

Рис. 1. Кривая просадочных пылеватых грунтов

Безусловно, что приведенные выше соображения являются самыми первыми и во многом предполагаемыми, чем бесспорно установленными. Это скорее приглашение к дискуссии грунтоведов, инженер-геологов, геотехников, проектировщиков — всех специалистов соприкасающихся в своей повседневной деятельности с вопросами свойств физико-механических свойств грунтов.

Поднятые вопросы выходят за рамки инженерной геологии г. Санкт-Петербурга. На наш взгляд лишь консолидированные усилия всех заинтересованных сторон позволять уточнить (а при необходимости и пересмотреть) устоявшиеся взгляды на ныне существующую классификацию грунтов.

Работа выполнена в Центре генетического грунтоведения «Охотинского общества грунтоведов».

Литература

1. ФурсаВ. М. Строительные свойства грунтов территории Ленинграда. Л., 1973.

2. Ауслендер В. Г. и др. Новое в геологии Санкт-Петербурга // Минерал, СПб., 2002. № 4.

3. Здобин Д. Ю. О выделении илов как вида органо-минеральных грунтов на территории Санкт-Петербурга // Тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии в условиях рыночной экономики России, СПб., 2004.