В.В. Середин

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ГРУНТОВЕДЕНИЮ

Часть I. Состав, строение и свойства грунтов

Пермь, 2010

2

Лекция 1. Современное состояние грунтоведения

План лекции:

1. Предмет и задачи грунтоведения.

2. История развития грунтоведения.

3. Структура грунтоведения.

1. Предмет и задачи грунтоведения

Человечество на протяжении всей истории своего развития в той или иной мере решало задачу, связанную с надежностью возводимых им (человеком) зданий и сооружений. В этой системе (рисунок 1.1) особое место занимали геологи. От их умения оценить природные условия во многом зависели и зависят конструктивные особенности строящихся объектов.

Устойчивость инженерных сооружений

Конструктивные

особенности

Природные условия территории строительства инженерных сооружений

Рисунок 1.1 – Система взаимодействия инженерных сооружений и природных условий

Правильный и оптимальный набор конструктивных особенностей в конечном итоге и определяет надежность этих сооружений.

Все природные условия можно условно разделить на три группы.

1. В первую группу входят природные условия, характеризующие состав, состояние и свойства грунтов, являющихся основанием или средой инженерных сооружений (рисунок 1.2).

3

Рисунок 1.2 – Схема выбора типа фундамента в зависимости от типа грунтов, залегающих в основе

Изучением этой группы природных условий занимается грунтоведение.

4

2. Однако сооружения могут находиться на закарстованных территориях, на участках, подверженных оползневым и эрозионным процессам (рисунок 1.3).

Например:

здание

а) Схема влияния оползня на устойчивость сооружений

здание

б) Схема влияния карста на устойчивость сооружений

карстовое поле

Рисунок 1.3 – Схема влияния геодинамических процессов на устойчивость инженерных сооружений

Изучением этой группы природных условий занимается геодинамика.

3. Инженерные сооружения, например нефтепровод «Восточная Сибирь – Тихий океан», как правило, пересекают различные климатические, геоморфологические, геологические, гидрологические зоны и т. д. (рисунок 1.4)

Например:

горы

равнина

река

море

Рисунок 1.4 – Схема влияния инженерно-геологических условий на устойчивость инженерных сооружений

5

Этой группой природных условий занимается региональная инженерная геология.

Таким образом, всеми группами природных условий, определяющих рациональное размещение сооружений и определяющих их устойчивость, занимается

инженерная геология.

Инженерная геология

Рассмотрим в системе строительного дела место грунтоведения.

Рисунок 1.5 – Место грунтоведения в строительном комплексе

6

Целью инженерных изысканий является получение исходных данных для проектирования зданий и сооружений. С позиции рассматриваемого предмета под исходными данными понимаем получение нормативных и расчетных показателей свойств грунтов.

Например:

Для определения устойчивости сооружения необходимо выяснить насколько деформируется (осядет) грунт в основании сооружения. Если осадка расчетная Sp будет больше допустимой Sи, то необходимо либо изменить конструкцию фундамента, либо улучшить свойства грунтов в основании, т. е. произвести их минерализацию.

Для определения осадка грунтового основания необходимо знание расчетных показателей свойств грунтов – модуля общей деформации Е и плотности ρ.

S p = ∑P2 * ha E

здание

земная

поверхность

Потребности. В сложных инженерно-геологических условиях существующие методы определения свойств пород не всегда приемлемы и во многих случаях дорогостоящи. Поэтому перед грунтоведением ставится задача разработки экспресс-методов определения свойств грунтов и их гостирование.

На стадии проектирования, исходя из полученных геологом численных значений свойств грунтов, проектировщики определяют тип фундамента и конструктивные особенности сооружения. При этом в некоторых случаях, например при строительстве на слабых грунтах, стоимость подготовки площадки строительства и сооружение фундаментов могут быть сопоставимы со стоимостью всего сооружения. Поэтому надежность определения свойств грунтов, как основания сооружения, является достаточно важной задачей геологов.

Надежность получаемой информации

7

На стадии строительства и эксплуатации инженерных сооружений на грунтовое основание воздействуют различные техногенные факторы – точечные уплотнения или разуплотнения машинами и механизмами, дополнительное, по сравнению с природным, увлажнение грунтов и др. В процессе эксплуатации зданий возможны утечки жидкостей из водопроводов и канализации, что приводит к дополнительному увлажнению грунтов.

Все техногенные факторы изменяют свойства грунтов, что может привести к снижению несущей способности грунтового основания и уменьшить надежность сооружений.

Поэтому одной из важнейших задач для грунтоведения является прогноз изменений свойств грунтов во времени и под воздействием техногенных факторов.

Таким образом, грунтоведение как наука является теоретической базой при изучении состава состояния и свойств грунтов.

Впрактической плоскости перед грунтоведением стоят следующие задачи:

1.Изучение закономерностей изменчивости свойств грунтов в зависимости от природных и техногенных факторов.

2.Разработка методов определения свойств грунтов.

3.Прогноз свойств грунтов, в зависимости от природно-техногенных фак-

торов.

2. История развития грунтоведения

В развитии грунтоведения выделяются (условно) три этапа. Первый охватывает период с 1920 по 1945 гг., второй – 1946…1986 гг. и третий – с 1987 года по настоящее время.

Первый этап (1920–1945 гг.)

Вэтот период в России интенсивно шло дорожное, гидротехническое и промышленное строительство. Поэтому перед строителями остро встал вопрос об оценке грунтов, залегающих в основании сооружений. Для решения этого вопроса

в1923 году в г. Ленинграде было создано дорожно-исследовательское бюро под руководством Н.И. Прохорова, П.А. Земятченского и Н.Н. Иванова. Так возникло дорожное грунтоведение.

Вэтот период грунт оценивался больше качественно, чем количественно, поэтому проектировщикам было достаточно сложно использовать геологический материал. Эту задачу успешно решил австрийский геолог и инженер-строитель Карл Терцаги (1883–1963 гг.). Ему удалось геологическую информацию численно оценить. Разработать методы, позволяющие оценить устойчивость сооружений, используя численные значения грунтов. В 1924 году К. Терцаги опубликовал свой основной труд «Механика грунтов».

Для подготовки кадров в области грунтоведения в 1930 году Петром Андреевичем Земятченским была открыта кафедра грунтоведения в Ленинградском университете.

Петр Андреевич Земятчинский (1856–1942 гг.) окончил физико-математи- ческий факультет Санкт-Петербургского университета (1982 г.). С 1897 года работал профессором минерологи. Итоговым трудом являлась книга «Глины СССР. Общая часть» (1935 г.).

8

В открытии кафедры грунтоведения совместно с П.А. Земятчинским принял активное участие Вениамин Васильевич Охотин (1888–1954 гг.), который с 1933 года и до своей смерти возглавлял ее. Он успешно работал в области разработки методик определения физико-механических свойств пород. Учебник «Грунтоведение» (1940 г.), написанный им, является первым систематическим описанием физико-механических свойств грунтов.

В 1938 году Михаилом Михайловичем Филатовым (1877–1942 гг.) была организована кафедра грунтоведения в Московском университете. Он работал в области физико-механических и физико-химических свойств грунтов.

Итогом этого этапа развития явилось:

грунтоведение оформилось в самостоятельную науку;

разработано много методов определения свойств грунтов;

интенсивно стало развиваться направление улучшения природных грунтов и создание новых, с заданными свойствами.

Второй этап развития (1946–1986 гг.)

Вэтот период в России стали осваиваться новые территории (Западная Сибирь, Северные районы, шельф), на которых возводились нефтегазотранспортные системы протяженностью тысячи километров, строились крупнейшие водохранилища и т. д. Для обоснования этих проектов проводились исследования грунтов (по Е.М. Сергееву) от микроуровня до массива с целью рационального использования геологической среды.

Значительный вклад в развитие грунтоведения внесли работники кафедры грунтоведения Ленинградского университета, возглавляемой профессором Анатолием Константиновичем Ларионовым (1965–1989 гг.), профессорами Ивановым И.П., Мазуровым Г.П., Лысенко М.П. и др., а также кафедры грунтоведения Московского университета, возглавляемой выдающимся ученым Евгением Михайловичем Сергеевым, профессорами В.Т. Трофимовым, В.И. Осиповым и др.

Вэтот период грунтоведение оформилось как научное направление в инженерной геологии. Итогом этого этапа можно считать работу Г.К. Бондарика «Общая теория инженерной (физической) геологии» и коллективную работу «Теоретические основы инженерной геологии».

Третий этап (1987 г. – по наше время)

Совпал со временем перестройки в стране. В этот период, когда строительство крупных объектов практически ни производилось, развитие грунтоведения было направлено в сторону теоретических разработок, основанных на обобщении большого практического материала, собранного на втором этапе. Кроме того, стала широко внедряться система ГИС.

Таким образом, на сегодняшний день грунтоведение сформировалось как наука.

3. Структура грунтоведения

В монографии «Грунтоведение» под редакцией Трофимова В.Т. (2005 г.) дается следующее определение грунтоведения:

9

Грунтоведение – это научное направление инженерной геологии, исследующее состав, состояние, строение и свойства грунтов, ими сложенных грунтовых толщ, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием современных и прогнозируемых геологических процессов, формирующихся в ходе развития земной коры под влиянием совокупности всех природных факторов, и в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью.

Грунтоведение

Формирование состава, строения и свойств грунтов происходит под воздействием:

геологических процессов;

техногенных процессов;

хозяйственной деятельности человека.

Отметим, что такой подход к вопросу формирования грунтов – отличительная черта Российской школы грунтоведения, он основан на том, что состав, состояние и свойства грунтов определяются их генезисом, постгенетическими и техногенными процессами.

Европейская же школа рассматривает только свойства грунтов.

Под грунтами понимаются любые горные породы, почвы, осадки и антропогенные геологические образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамические системы, исследуемые в связи с планируемой, осуществляемой или осуществленной инженерной деятельность человека.

Горные породы – природные образования.

Почвы – особые природные образования, имеющие гумус.

Антропогенные образования – образования, связанные с деятельность человека (зола, отходы угольной промышленности и т. д.).

Грунты состоят из твердых, жидких, газовых и биологических компонент (рисунок 1.6). Их объемное содержание различно, однако в грунтах всегда присутствует твердая компонента.

10

Калоидные частицы

Газ

Вода

Рисунок 1.6 – Схема состава грунта

Динамичные системы – это содержание в грунте газа, воды и грунтовых частиц; эти характеристики могут изменяться со временем и в пространстве.

Грунты исследуются (т. е. определяются их свойства) для того, чтобы человек мог использовать их в своей хозяйственной деятельности.

Структура грунтоведения следующая:

Грунтоведение

Переходим к рассмотрению состава грунтов.

11