ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСАДОЧНОСТИ ЛЁССОВЫХ ГРУНТОВ НА ОБЪЕКТАХ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ОЦЕНКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

STUDY OF THE SUBSIDENCE OF LOESS SOILS ON THE DIFFERENT OBJECTS AND EVALUATION OF THEIR RESULTS

Nadezhda Korvet

candidate geological-mineralogical sciences, associate professor of Saint-Petersburg State University,

Russia, Saint-Petersburg

Maria Zavodchikova

candidate geological-mineralogical sciences, associate professor of Saint-Petersburg State University of architecture and construction,

Russia, Saint-Petersburg

Natalya Steklannikova

candidate of technical Sciences, head of laboratory of Saint-Petersburg University of means of communication,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Анализируются результаты исследований просадочности лёссовых грунтов на строительных площадках и объектах нефтегазового комплекса.

ABSTRACT

The results of studies of the subsidence of loess soils on construction sites and oil and gas facilities are analyzed.

Ключевые слова: лёссовые грунты, просадочные явления, прямые и косвенные показатели.

Keywords: loess soils, sagging phenomenon, direct and indirect methods.

Лёссовые грунты пользуются широким распространением на территории России и их инженерно-геологическим особенностям посвящены многочисленные исследования [4].

При обосновании строительства на этих грунтах необходимо учитывать характерное свойство – просадочность, которое проявляется в потере связности и уменьшении их объёма при замачивании (естественном или техногенном) под собственным весом грунта, либо под действием веса от сооружения. Как следствие этого явления – развитие деформаций зданий и сооружений вследствие неравномерной осадки лёссовой толщи [3; 10]. Проектирование на них сооружений предполагают особый подход, и одной из главных задач при изучении инженерно-геологических условий территорий, сложенных подобными грунтами, является оценка и прогнозирование просадочных явлений, которые проводятся в несколько этапов. При этом задачи, решаемые на каждом этапе, несколько различаются, что предполагает использование и различных методов их решения. Оценка процесса явления просадки в лёссах производится, как прямыми, так и косвенными методами [3].

Прямые методы основаны на исследовании просадочности грунтов в полевых и лабораторных условиях на специальном оборудовании. Косвенные методы включают группу косвенных признаков, в которую входят так называемые «визуальные» показатели» и косвенные критерии. «Визуальные» показатели используют на самых ранних стадиях изучения лёссовых грунтов, для оценки возможности их просадки. К ним относятся: климат и рельеф территории, мощность лёссовых пород, глубина залегания грунтовых вод, вещественный состав, внешний облик пород. Они позволяют получить сведения, как о лёссовых грунтах, так и о сооружениях, которые проектируется строить на этих грунтах. Косвенные критерии используют при прогнозировании склонности пород к просадочным явлениям на втором этапе изучения и включают результаты расчётов, базирующихся на характеристиках физического состояния грунтов. Результаты прогноза используются для предварительного районирования территории с выделением участков по признаку просадочности и непросадочности лёссовых грунтов.

В данной работе анализируются результаты оценки просадочности лёссовых грунтов участков территорий Ростовского и Оренбургского регионов.

Исследуемая территория Ростовского региона расположена на правом берегу долины р. Дон, на понтическом плато Дон-Тузловского водораздела, которое рассечено долиной реки Дон, и в строении которого выделяются пойменная и три надпойменных террасы. Согласно инженерно-геологическому районированию территории Нижнего Дона и Северо-Восточного Приазовья, участки входят в Предкавказский инженерно-геологический регион [5]. В геологическом строении принимают участие осадочные породы мелового, неогенового и четвертичного возраста мощностью около 500 м, залегающие на скальном основании докембрийского возраста. В зоне влияния сооружений залегают четвертичные отложения, представленные лёссовидными суглинками и супесями, а в отдельных местах – неогеновые породы, представленные глинами, известняками и песками. В гидрогеологическом отношении территория характеризуется распространением грунтовых вод в лессовых толщах и аллювиальных отложениях, залегающих на глубине 2–15 м от поверхности земли, и межпластовых – в неогеновых отложениях.

На различных участках данной территории, предназначенных для строительства, проводились инженерно-геологические изыскания, включавшие оценку просадочности лёссовых грунтов прямыми (полевыми и лабораторными) методами.

Для сравнения результатов, полученных прямыми методами, которые показали, что все изучаемые образцы грунтов являются просадочными, проводились исследования этого явления при помощи косвенных критериев на нескольких участках (участки 1, 2, 3) Ростовского региона, цель которых – оценить возможность их применения на ранних этапах изучения инженерно-геологических условий территории. Они являлись продолжением проводимых ранее исследований на одном из участков [11].

Участок 1 расположен в пределах понтического плато; участки 2 и 3 – в пределах плиоценовой террасы и приурочены к различным геоморфологическим элементам: участок 1 – к зоне Доно-Тузловского водораздела; участки 2 и 3 – к высокой части террасы р. Дон. В их геологическом разрезе до глубин от 0,2 до 16,7 м повсеместно встречены лессовидные суглинки четвертичного возраста.

Косвенные критерии для оценки потенциальной просадочности лёссовых грунтов учитывают их физическое состояние. Основными из них являются: 1) коэффициент водонасыщения пород S_r; 2) показатель просадочности П; 3) показатель макропористости К_у Денисова Н.Я.; 4) показатель уплотнённости К_d Приклонского В.А.; 5) индекс просадочности И_п; 6) коэффициент дефицита влажности К; 7) коэффициент пористости е, плотность скелета грунта ρ_d и коэффициент водонасыщения пород S_r (по Крутову В.И.) - выделяются разновидности грунтов по степени просадочности [3; 7; 10].

Показатели физических свойств грунтов для участков (W – влажность, ρ – плотность, ρ_s – плотность минеральной части, ρ_d – плотность скелета грунта, n – пористость, e – коэффициент пористости, S_r – коэффициент водонасыщения пород, I_p – число пластичности) приведены ниже.

Участок 1 (Суглинок тяжёлый пылеватый): W (%) – 15,10÷20,80; ρ (г/см³) –1,77÷1,82; ρ_s(г/см³) – 1,50÷1,54; ρ_d(г/см³) – 2,70÷2,71; n (%) – 43,06÷44,44; е– 0,757÷0,80 д.ед.; 3; S_r – 0,545÷0,706; I_p– 15,5÷16,3;

Участок 2 (Суглинок тяжёлый пылеватый): W (%) – 13,00÷15,70; ρ (г/см³) –1,77÷1,84; ρ_s(г/см³) – 1,57÷1,59; ρ_d(г/см³) – 2,68 ÷2,69; n(%) – 40,95÷41,62; е–0,695÷0,719 д.ед.; S_r – 0,493 ÷0,611; I_p– 10,0 ÷11,2;

Участок 3 (Суглинок лёгкий пылеватый): W (%) –20,2÷23,40; ρ (г/см³) –1,77÷1,90; ρ_s(г/см³) – 1,43 ÷1,58; ρ_d(г/см³) – 2,69; n(%) – 41,44÷46,72; е– 0,705÷0,879 д.ед.; S_r – 0,719÷0,769; I_p–12,2÷13,5;

По приведённым характеристикам физических свойств грунтов, для каждого участка были произведены расчёты косвенных показателей, которые были положены в основу построения диаграмм, показывающих количество определений, охарактеризовавших грунты как просадочные для различных косвенных показателей, по каждому из участков и для всех участков (Рис. 1).

Как можно судить из приведённых диаграмм, набор показателей, определивших грунты, как просадочные, различен для каждого участка. Из них были выделены косвенные критерии, которые на данных участках в наибольшем количестве (более 85 %) охарактеризовали исследуемые грунты как просадочные: 1), 2) и 7). Остальные показатели были верны лишь в некоторых случаях и не для всех участков.

Анализ полученных данных по площадкам свидетельствует о сложности прогноза просадочности грунтов по косвенным критериям, и явление просадочности при такой оценке нельзя полностью предсказать по их физическим характеристикам. В тоже время, их можно рассматривать при предварительной оценке возможности развития данного явления, о чём свидетельствуют исследования, проводимые для лёссовых грунтов на некоторых территориях России [7].

Рисунок 1. Оценка склонности грунтов к просадочным явлениям по косвенным показателям

При окончательной оценке инженерно-геологических условий территорий, характеризующихся присутствием лёссовых грунтов, обязательным является исследования, в которых основное место занимают прямые методы определения просадочности. Но даже при их использовании, не всегда можно говорить о надёжности полученных результатов, что подтверждают данные изучения инженерно-геологических условий площадок объектов нефтяной и газовой промышленности, расположенных в Оренбургской области.

Согласно инженерно-геологическому районированию рассматриваемая территория располагается в пределах Прикаспийской синеклизы и приурочена к юго-восточному склону Общего Сырта [5]. В её геологическом строении наибольшее распространение получили плиоцен-четвертичные субаэральные сыртовые отложения, подстилаемые толщей верхнепермских и мезозойских коренных пород.

Инженерно-геологические изыскания выполнялись для реконструкции Оренбургского ГПЗ на одной из площадок и включали полевые работы с отбором проб грунтов, и последующим определением комплекса их физико-механических свойств в лабораториях, в том числе и авторами представленной статьи на кафедре грунтоведения и инженерной геологии СПбГУ.

По данным изысканий было установлено, что основную часть исследуемой территории с поверхности слагают сыртовые отложения плиоцен-четвертичного возраста, представленные преимущественно глинами и суглинками (твердой и полутвердой консистенции) максимальной мощностью более 30,00 м. На отдельных участках их подстилают палеоген-четвертичные элювиально-делювиальные отложения, слагающие переходную зону и представленные суглинками и глинами с различным содержанием дресвы и щебня, мощностью до 7,00–9,00 м. Также они встречены с поверхности, где их мощность составляет от 3,00 до 6,00 м. Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта приурочены к татарскому водоносному комплексу. Его питание осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков в областях выхода комплекса на поверхность. На рассматриваемой территории он повсеместно перекрыт толщей слабопроницаемых суглинков и глин и вскрыт на глубине, составляющей в среднем около 11,00 м.

Учитывая, что территория расположена в зоне распространения просадочных грунтов, основной задачей являлась оценка просадочности образцов, отобранных из сыртовых и элювиально-делювиальных отложений.

Следует отметить, что при испытании полученных образцов возникли определённые трудности. Прежде всего, нами при вскрытии монолитов (в СПбГУ) были отмечены следующие их особенности: в некоторых образцах наблюдалась неестественная окраска, обусловленная мозаичной формой распределения более тёмных пятен в основной массе грунта; также отмечался запах бензина, керосина и химических веществ. В связи с этим, возникли предположения о загрязнении грунтов, которые впоследствии подтвердились, так как загрязнение было установлено при бурении, которое выполнялось ООО «Нефтегазгеодезия». Но оценка физико-механических свойств грунтов проводилась в соответствии с существующими нормативными документами для незагрязнённых грунтов. Этим и возможно объяснить результаты исследований в СПбГУ, а также подтверждённые испытаниями в других организациях. Получаемые нами при испытаниях характеристики, были настолько не свойственны лёссовым грунтам, что в некоторых случаях (для исключения ошибок в их определении) приходилось испытания проводить не один раз, но их результаты совпадали.

На основе анализа полученных результатов лабораторных исследований по данному объекту в нескольких лабораториях, и обобщённых в ООО «Нефтегазгеодезия», было установлено следующее [9].

Сыртовые отложения в основном не проявляют просадочные свойства. Только для 4 % образцов из всего числа проведённых испытаний, величина относительной деформации просадки (e_sl ) ≥ 0,01 охарактеризовала их как просадочные в соответствии с ГОСТ 25100-2011 [1].

При этом следует отметить: на некоторых участках, образцы, отобранные из верхней части разреза (до глубины около 6м), при испытании проявляли способность к набуханию (по величине свободного набухания характеризовались, как слабо-, средне- и сильно набухающие); на глубинах 10–15 м, имея высокую плотность –2,02 … 2,10 г/см³, достигавшую до 2,13 … 2,15 г/см³ и значения коэффициента водонасыщения около 0,90, при испытаниях проявляли просадочные свойства.

Сравнение физико-механических свойств грунтов верхней части разреза, полученных в результате указанных испытаний с данными исследований 70-х годов показало, что плотность их и степень влажности значительно увеличились, что, по-видимому, является результатом техногенного воздействия на грунты – проникновением на глубину различных химических реагентов. Этим же можно объяснить и неоднородное распределение по площади просадочных грунтов на глубине 13,00–20,00 м, которое было установлено в результате прямых методов исследований. Замачивание грунтов под воздействием природных естественных факторов маловероятно из-за гидрогеологических условий площадки, о чём указано выше: водоносный горизонт повсеместно перекрывается глинами (водонепроницаемыми) и тяжёлыми суглинками (полупроницаемыми).

Как показали результаты исследования физико-механических свойств лёссовых грунтов площадки в Оренбургской области, их невозможно было оценить достаточно достоверно, так как не учитывалось предполагаемое техногенного загрязнение, которое изменяет состав, состояние и свойства дисперсных грунтов.

Таким образом, как следует из приведённых примеров, надёжная оценка инженерно-геологических условий территорий распространения грунтов, подверженных просадочности, может быть основана только на детальном изучении всех их особенностей, на базе комплексных исследований. Они должны включать, как стандартные полевые и лабораторные методы, так и инновационные разработки, включающие применение новых методов определения параметров микроструктуры в совокупности с изучением их минерального, химического состава и физических свойств [8]. Особое значение такой подход приобретает при изучении инженерно-геологических условий территорий, подверженных техногенному загрязнению, в процессе которого изменяются физико-механические свойства дисперсных грунтов [2; 6].

Список литературы:

1. ГОСТ 25100-95 (2011). Грунты. Классификация. – М: 1995 (2011).
2. Дашко Р.Э., Ланге И.Ю. Влияние загрязнения нефтепродуктами и их деградации в подземной среде на геотехнические параметры песчано-глинистых грунтов // Международный журнал «Геотехника», г. Москва. – 2013. – № 5/6 – С. 50–63.
3. Иванов И.П., Тржцинский Ю.Б. Инженерная геодинамика. – СПб: Наука, 2001. – 416 с.
4. Инженерная геология России. Том 1. Грунты России: Под ред. В.Т. Трофимова, Е.А. Вознесенского, В.А. Королёва, – М.: КДУ, 2011. – 672 с.
5. Инженерная геология СССР в 8-ми томах. Т. 1. Русская платформа – М.: изд. МГУ, 1978. 528 c.
6. Корвет Н.Г., Васильева В.Н. Влияние промышленных сооружений, связанных с транспортировкой и хранением углеводородного сырья на изменение геологической среды. // Теоретические и практические проблемы геотехники. Межвузовский тематический сборник трудов. СПбГАСУ. Санкт-Петербург. 2005. С. 209–2015.
7. Костарев В.П. О соответствии показателей просадочных суглинков Усть-Кишерти косвенным критериям просадочности пылевато-глинистых грунтов Пермского Приуралья. // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в РФ. Материалы 3 конференции изыскательских организаций. – М.: ОАО ПНИИС. 2008 – С. 83–86.
8. Рященко Т.Г. Региональное грунтоведение (Восточная Сибирь). – Иркутск ИЗК СО РАН, 2010. – 287 с.
9. Сергеева Т.Д., Кузнецова Т.А. Проблемы изучения инженерно-геологических условий на объектах нефтяной и газовой промышленности. // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в РФ. Материалы 3 конференции изыскательских организаций. – М.: ОАО ПНИИС. 2008 – С. 58–60.
10. Трофимов В.Т. Генезис просадочности лёссовых пород / В.Т. Трофимов. – М.: Издательство МГУ, 1999. – 271 с.
11. Чеботарёва Т.Н. Оценка склонности лёссовых грунтов к просадочным явлениям на основе применения косвенных показателей // Геология в развивающемся мире: Сб. научных трудов. Т. 1. Пермский Государственный национальный исследовательский университет. Пермь, 2016. С. 500–503.