Инженерно-геологические условия. 
Проблемы определения величины деформации полускальных нижнепермских грунтов

Инженерно-геологические условия территории Пермского края изучались главным образом для решения практических задач промышленного и гражданского строительства. Огромное количество изыскательских работ выполнено проектными организациями и институтами ОАО «Верхне камТИСИз», ООО «Пермгражданпроект», «Ленгипроводхоз», «Уралгипросельхозстрой» и др.; линейных инженерных сооружений — ОАО «Уралгипротранс», ООО «ПермНИПИнефть», ООО «Недра» и др. Большой объем инженерных изысканий проводился под крупное гидротехническое строительство на реках Кама и Чусовая, на основе которых были сооружены Камское и Воткинское водохранилища (Ю.В. Разумовский, Р. Б. Крапивнер, М. И. Тешлер, Д. Г. Зилинг, Е. И. Варварина и др.).

В последнее десятилетие большое количество научно-исследовательских работ в области региональной инженерной геологии, инженерного грунтоведения, инженерной геодинамики и инженерной экологии выполнено на кафедре инженерной геологии и охраны недр ПГНИУ под руководством В. В. Середина. Основным научным направлением данной инженерно-геологической школы является разработка методов и технологий оценки и прогнозирования инженерно-геологических и геоэкологических процессов. Особое место занимают исследования, связанные с изучением инженерно-геологических и геоэкологических условий нефтегазоносных регионов и объектов нефтегазовой промышленности. Новым направлением региональной инженерной геологии (в соответствии с идеями В. Т. Трофимова о новом этапе в развитии инженерной геологии, с исследованием многообразия всех объектов инженерной геологии, исходя из парадигмы тектоники плит) является изучение геодинамической активности природных и урбанизированных территорий.

Инженерно-геологическое картирование и районирование.

В 2005;2007 гг. ЕНИ ПГНИУ выполнены работы по составлению инженерно-геологической карты Пермского края масштаба 1:500 000 (И.С. Копылов и А.В. Коноплев). В основу карты положен материал геологических и гидрогеологических съемок масштаба 1:200 000 и тематических работ по изучению геологических процессов. В 2012 г. в составе Атласа карт Пермского края разработали новый вариант инженерно-геологической карты, которая представляет собой современную картографическую модель инженерно-геологических условий Пермского края. Легенда карты состоит из трех основных блоков и отражает: инженерно-геологическое районирование (регионы, области, районы, участки); инженерно-геологические формации коренных пород и геолого-генетические комплексы четвертичных образований; современные геологические процессы.

.

Рисунок 2. Инженерно-геологическая карта Пермского края.

Рисунок 3. Условные обозначения к инженерно-геологической карте.

Территория города Перми имеет сложные инженерно-геологические условия. Каждый район города подвержен опасным геологическим процессам, основным из которых является подтопление. Существующая тенденция застройки г. Перми сводится к более рациональному использованию земель в пределах уже застроенных территорий, так называемой точечной застройки. 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, залегающие на глубине 15−20 метров. [6].

Полускальные породы раннепермского возраста представляют собой толщу переслаивающихся песчаников, аргиллитов, алевролитов. А также иногда могут встретиться маломощные прослои мергелей, известняков и конгломератов. Согласно анализу инженерно-геологических условий г. Перми и классификации по ГОСТ 25 100–95[7] принимается, что толща сжимаемых грунтов основания представленных аллювиальноделлювиальными четвертичными отложениями, достигает 20 м. Толща сжимаемых грунтов основания, как правило подстилается полускальными или скальными нижнепермскими грунтами .

Наиболее характерные для города Перми типы оснований:

Рисунок 4. I, II, III надпойменная терраса р. Камы.

Рисунок 5. IV надпойменная терраса р. Камы.

Тут нужно отметить, что самой распространённой в пределах Перми является IV надпойменная терраса.

В инженерно-геологическом разрезе города Перми можно выделить два горизонта нижнепермских отложений.

Первый из них представлен дисперсными четвертичными отложениями и выветрилыми, трещиноватыми, расцементированными полускальными грунтами, которые простираются до 15 метров. Модуль деформации E в пределах 0.1−0.5 не превышает 5 МПа. Второй горизонт представлен нижпермскими полускальными и скальными отложениями.

Модуль деформации колеблется в интервале 0.1−0.5 от 15−100 Мпа для различных литологических типов пород. Было предложено В. А. Юминовым, Д. М. Димухаметовым, В.Е.Малаховым[8] при строительстве более ответственных объектов их следует относить к полускальным грунтам .

В связи с тем, что отсутствуют региональные нормативные документы, которые характеризуют инженерно-геологические условия города Перми, большое внимание уделяется изысканиям застраиваемого участка. Определение физико-механических свойств полускальных грунтов проводится на основе ГОСТов для дисперсных и полускальных грунтов.

Основными испытаниями являются испытания на прочность методом одноплоскостного среза.

И испытанием на деформируемость (компрессия). Также для полускальных и скальных грунтов определяется предел прочности методом одноосного сжатия, однако я более подробно остановлюсь на разборе испытаний методом компресионного сжатия.

Лабораторные испытания полускальных грунтов проводились в компрессионном приборе ГТ 1.1.4−01. Нагружение образцов производилось ступенями от 25 до 600 кПа, с учетом бытового давления и предполагаемого давления от сооружения (до 500 кПа), согласно ГОСТ 12 248–96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Проводилось несколько замеров. И каждый раз результат отличался от предыдущего.

Модуль деформации Ек по данным компрессионных испытаний для глинистых грунтов рассчитан в интервале нагрузок 0,1−0,5 МПа по формуле:

где ei — значение коэффициента пористости, соответствующее нагрузкам 0,1−0,5 МПа; m0— коэффициент сжимаемости, соответствующий интервалу давления 0,1−0,5 МПа; в — коэффициент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта в компрессионном приборе. При расчете компрессионного модуля деформации коэффициент в принимался равным 1. Полученные результаты были обработаны с использованием методов математической статистики согласно ГОСТ 20 522 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний».

Однако не все методы позволяют точно определить величину деформации тех или иных грунтов. Проблемы расчёта и моделирования оснований, которые сложены полускальными грунтами. Возникают при возведении высотных зданий и сооружений, с развитой подземной частью, которые передают значительные нагрузки на грунтовое основание. При взаимодействиях в системе:

«основание — фундамент — подземная и надземная части здания — окружающая застройка».

в массиве грунта формируется сложное напряженнодеформированное 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: неоднородность, пластичность и ползучесть.

Правильная оценка напряженно-деформированного состояния системы при всём этом, 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 напряженнодеформированного состояния. На глубине 20 м 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; б) наличие трения между образцом и стенками обоймы кольца прибора, что искажает результат компрессии; в) недостаточные напряжения, создаваемые в приборе (реальные нагрузки от здания достигают 1000 кПа). И в итоге мы получаем существенные различия в значениях модулей общей деформации, полученных в результате лабораторных исследований в компрессионных приборах (Таблица 1). 9].

Таблица 1.

Деформационные свойства полускальных нижнепермских грунтов.