личными, например: конические, котлообразные, блюдцеобразные либо в виде ям неправильной формы. Диаметр их – от 1 до 200 м, глубина – от 0,5 до 50 м. На дне воронок и других понижений встречаются водопоглощающие отверстия – поноры. Котлообразные площади до нескольких десятков и сотен км, с крутыми бортами, ровным дном.
Рис. 3. Полиция, ГИБДД и МЧС на месте происшествия
2. Закрытый (под мощными слоями грунта).
Для второго типа характерны различные подземные ходы, пещеры, подземные озера, сифон, туннели (см. рис. 5). Самые длинные пещеры мира относящиеся к этому типу: пещерные системы ФринтРижд в Кентукки (США), Хеллох в Альпах (Швейцария). Также характерны карстовые колодцы и естественные шахты, или пропасти. Такими пропастями мира считают Пьер-Сен-Мартен глубиной 1110 м (Франция – Испания) и Берже глубиной 1122 м (Изер, Франция).
В России Назаровская пропасть в районе Сочи на Западном Кавказе имеет глубину около 500 м. Также карст развит во многих районах на Восточно-Европейской равнине, в Крыму, на Урале и в Предуралье, на передовых хребтах Большого Кавказа, в Средней Азии (плато Устюрт, хребты Каратау, Алтайский, Зеравшанский), на Казахском мелкосопочнике, в горах Южной Сибири, Приангарье и на Дальнем Востоке. На Урале самое известное на весь мир место закарстованных территорий – это Пермский край. Одно из мест Пермского края, которое прозвали «решетом», – город Кунгур. Там находится уникальный геологический памятник – одна из крупнейших карстовых
Рис. 4. Кунгурская ледяная пещера
пещер в европейской части России, седьмая в мире гипсовая пещера по протяженности, называемая Кунгурской ледяной. Протяженность пещеры составляет около 5700 м, из них 1,5 км оборудованы для посещения туристами. Средняя температура воздуха в центре пещеры +5 °C, относительная влажность в центре пещеры – 100 %. Кунгурская пещера содержит 58 гротов, 70 озер, 146 так называемых «оргáнных труб» (самая высокая – в гроте «Эфирный», 22 м) – высоких шахт, доходящих почти до поверхности (рис. 4).
Уральский научный центр занимается геологическими, геотехническими и другими исследованиями, в том числе изучением карстовых явлений. Он ведет ежедневное изучение Кунгурской ледяной пещеры. Сама пещера уникальна своими ледяными глыбами, которые растут снизу вверх. Сами гроты по сво-
им особенностям не сравнимы друг с другом. Водная среда в каждом гроте разная, начиная от толстых, ледяных, заледенелых озер и глыб до соленых и пресных источников.
Рис. 5. Типы закарстованных территорий
В зависимости от степени водопроницаемости грунтов покровной толщи различают следующие подтипы покрытого карста:
А – карстующиеся породы покрыты водонепроницаемыми грунтами;
Б – карстующиеся породы покрыты водопроницаемыми грун-
тами;
В – карстующиеся породы покрыты слоями водопроницаемых и водонепроницаемых грунтов.
В случае Б, а также нередко в случае В, может происходить вынос песчано-глинистых грунтов (суффозия) в нижерасположенные полости и трещины. Такой процесс принято называть карстовосуффозионным.
По характеру карстовой опасности следует выделять следующие основные типы: А, B, C, D.
Карстоопасность типа А обусловлена повышенной чувствительностью закарстованных территорий к загрязнению геологической среды, в том числе подземных вод. Это прежде всего относится к полигонам хранения отходов, несанкционированным свалкам, полигонам подземных закачек жидких промышленных отходов, нефтепроводам, продуктопроводам, канализационным коллекторам, автомобильным и железным дорогам, промышленным площадкам химических предприятий и т.п.
Карстоопасность типа В обусловлена вероятностью повреждения сооружений или земельных участков вследствие различных видов карстопроявлений (провалов, локальных и общих оседаний, карстовосуффозионных просадок, неравномерных осадок оснований сооружений и т.п.).
В зависимости от тех или иных видов карстопроявлений целесообразно подразделять карстоопасность типа В на соответствующие подтипы: В1 (провалы); В2 (локальные оседания); В3 (старые карстовые воронки); В4 (неравномерные осадки); В5 (общие оседания); В6 (карстовые или карстово-суффозионные просадки).
Карстоопасность типа С обусловлена возможными осложнениями при устройстве фундаментов и подземных сооружений вследствие наличия и развития различных подземных карстовых и карстовосуффозионных проявлений (карстовых полостей, зон повышенной трещиноватости, разрушенных и разуплотненных зон, напорных подземных вод в карстующихся породах и т.д.).
Карстоопасность типа D обусловлена недопустимыми утечками воды из поверхностных водоемов и т.д.
Типы опасности следует учитывать при проектировании генеральных планов населенных пунктов, технико-экономическом обосновании строительства, оценки стоимости земли для застройки, страховании зданий и сооружений, определении технологии изысканий, проектирования, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений и решении других инженерных и организационных задач.
Карст усложняет не только дорожное, но и промышленное, жилищное строительство, а также постройку сооружений ГЭС, водохранилищ. Известны случаи, связанные с фильтрацией воды, что вело к разрушению плотин.
Карстовые провалы – это деформации земной поверхности (основания сооружения) с разрывом сплошности грунта, образующиеся вследствие обрушения толщи грунтов над полостями, находящимися в карстующихся породах или перекрывающих их грунтах. Карстовым провалам часто предшествуют карстово-суффозионные процессы, формирование промежуточных полостей и локальное разуплотнение грунтов в покровной толще. Карстовые провалы со временем вследствие обрушения и эрозии бортов трансформируются в карстовые воронки конусообразной, а затем и блюдцеобразной формы.
Также бывают такие процессы, как карстовые локальные оседания – достаточно плавные деформации земной поверхности (основания сооружений) без разрыва или с частичным разрывом сплошности грунта с образованием постепенно растущей впадины (мульды). Локальные оседания связаны с прогибом толщи грунтов над полостями и разуплотненными зонами в покровной толще.
Характерная опасность для автомобильных дорог от карста следующая:
1)разрушение земляного полотна и дорожной конструкции при образовании провалов и локальных оседаний;
2)повреждения дорожной конструкции при образовании карстовых просадок и общих оседаний.
На основе данной характеристики можно сделать вывод, что проблемой в строительстве на закарстованных территорий является переоценка масштабов развития карста.
Список литературы
1.ГОСТ 25100–95. Грунты. Классификация. – М., 1995.
2.СНиП 22.01–95. Геофизика опасных природных воздействий. –
М., 1996.
3.Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста / ПНИИИС Минстроя России. – М., 1995.
4.Дорофеев Е.П., Лукин В.С. Кунгурская ледяная пещера // Памятники природы Пермской области / сост. Л. Баньковский. – Пермь:
Перм. книж. изд-во, 1983. – С. 41–52.
5.В центре Перми образовался новый провал на дороге // В курсе.ру. – 2015. – 15 сентября.
Об авторах
Юшков Борис Семенович – кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог и мостов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: admpnipu@mail.ru.
Сергеев Андрей Сергеевич – ассистент кафедры автомобильных дорог и мостов, Пермский национальный исследовательский по-
литехнический университет, e-mail: Zzverdvd@mail.ru.
Филиппова Юлия Андреевна – магистрант кафедры автомобильных дорог и мостов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет.
УДК 624.131.137
Б.С. Юшков, А.С. Сергеев, Д.А. Хасанов
ВЛИЯНИЕ ТИКСОТРОПНЫХ ЯВЛЕНИЙ НА СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЮ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Рассмотрены тиксотропные явления и их влияние на строительство и эксплуатацию автомобильных дорог. Разжижение грунта под динамическим воздействием приводит к нарушению его естественной структуры. В результате происходят большие неравномерные осадки, оползнеобразования и другие негативные последствия.
Ключевые слова: тиксотропные явления, разжижение, механическое воздействие, восстановление прочности, квазитиксотропность.
B.S. Yushkov, A.S. Sergeev, D.A. Khasanov
THE INFLUENCE OF THIXOTROPIC PHENOMENA
ON THE CONSTRUCTION AND OPERATION OF HIGHWAYS
This article describes thixotropic phenomena and their impact on the construction and operation of highways. Liquefaction of soil under dynamic exposure leads to disruption of the natural structure of it. As a result, there are large irregular rainfall, landslides and other negative consequences.
Keywords: thixotropic phenomena, liquefaction, mechanical action, restore strength, quasiisotropic.
При строительстве автомобильных дорог и искусственных сооружений специалисты все чаще сталкиваются с проблемой сложных грунтовых условий. Необходимость передать на слабые грунты основания значительные нагрузки чаще всего приводит к большим и неравномерным осадкам. Без применения специальных методов повышения устойчивости основания происходят деформации, которые приводят к искажениям как продольного, так и поперечного профиля.
В2014 году в Цумадинском районе Дагестана сошел оползень,
врезультате которого была разрушена часть автомобильной дороги до соседнего селения (рис. 1). Общая протяженность разрушения соста-
вила 2,5 км. После проведения исследования эксперты пришли к выводу, что целесообразнее не восстанавливать разрушенную дорогу.
Рис. 1. Оползень в Дагестане разрушил часть автомобильной дороги
Данное происшествие произошло после схода оползня. Причиной его образования является нарушение равновесия между сдвигающей силой тяжести и удерживающими силами. Оно вызывается воздействием сейсмических толчков. Оползень является типичным примером тиксотропной системы.
Под тиксотропными явлениями понимается способность некоторых коллоидных систем разжижаться под влиянием механического воздействия (встряхивания, размешивания, вибрации, воздействия ультразвуком и т.д.) и затем, когда это воздействие устранено, переходить в прежнее гелеобразное состояние. Разжижение грунта под динамическим воздействием приводит к нарушению его естественной структуры, следовательно, происходят большие неравномерные осадки, оползнеобразования и другие негативные последствия. После прекращения воздействия на породу происходит образование новых структурных связей, что приводит к полному или частичному накоплению прочности.
Важным свойством тиксотропных систем является их полная обратимость, т.е., независимо от количества циклов разрушения – восстановления, происходит полное восстановление прочности до исходного значения. Однако конечная прочность грунта после восстановления либо не достигает исходного уровня, либо превышает его, поэтому вводится понятие квазитиксотропности грунтов, в основе которых лежат все те же тиксотропные процессы, осложненные некоторыми специфическими способностями [1].
Длительность тиксотропного восстановления и упрочнения структурных связей, по данным разных авторов, значительно варьируется для глинистых грунтов различного химико-минерального состава, дисперности и влажности. Многодневное и многомесячное тиксотропное упрочнение глинистых грунтов наблюдается лишь после полного разрушения структуры, а в опытах с частичным разупрочнением этот процесс завершается быстрее (максимум за несколько суток). Наибольший прирост прочности обычно отмечается в первые 3–10 минут отдыха системы. С данной точки зрения процесс восстановления можно разделить на два этапа: начальный, когда формируется структурная сетка, и завершающий, связанный с ее дальнейшим упрочнением [2].
Существует большое количество показателей, характеризующих тиксотропные свойства грунтов:
1)время застудневания – время, необходимое для обратного перехода системы из золеобразного состояния в гелеобразное (чем меньше величина времени, тем более тиксотропна система);
2)тиксотропный предел – отношение объема жидкости к объему твердой составляющей в смеси (чем больше величина тиксотропного предела, тем более тиксотропна система);
3)предел затвердевания – процентное весовое содержание влаги. Этот предел соответствует той влажности, выше которой глинистый грунт теряет способность к тиксотропным изменениям в данных условиях.
Данные показатели могут быть использованы только для сравнительной характеристики тиксотропных свойств грунтов.
Показателем, качественно характеризующим степень потенциальной способности грунтов к тиксотропному разупрочнению под влиянием вибрации, является зыбкость, характеризуемая показателем зыбкости, величина которого измеряется средним радиусом основания образца, деформированного на зыбкомере в течение 20 с. Чем выше показатель зыбкости, тем меньшей прочностью характеризуются структурные связи грунта и тем выше его способность к тиксотропному разупрочнению.
В качестве показателя, количественно характеризующего способность грунтов к тиксотропному разжижению при воздействии на них динамических нагрузок, является предел структурной прочности при динамическом воздействии, который определяет путем испытания грунта шариковым штампом на вибростоле с регулируемыми параметрами колебаний или в вибросдвиговой установке.
Одним из основных показателей, определяющих возможность тиксотропных изменений, является гранулометрический состав грунтов. Исследования показывают, что тиксотропные явления наблюдаются лишь в том случае, если в грунтах содержатся глинистые частицы (хотя бы в количестве 1,5–2 %) [3].
Рис. 2. Влияние содержания в грунтах глинистых частиц на их тиксотропное разупрочнение: 1, 2 – при вибрации с частотой 50 Гц; 3 – при одиночном ударе
Из рис. 2 можно сделать вывод, что одиночные удары менее опасны, чем вибрационное воздействие. Тиксотропное разупрочнение убывает с увеличением содержания глинистых частиц при одиночных ударах.
Плотность грунтов также влияет на тиксотропные явления. Склонность к тиксотропным превращениям уменьшается у более рыхлых и более плотных грунтов.
Тиксотропные свойства зависят от влажности грунтов (рис. 3). Наиболее характерны они для связных грунтов, имеющих пластичную или вязкотекучую консистенцию.
Динамическое воздействие на грунт, такое как проезд автомобиля или поезда, вызывает разупрочнение тиксотропного слоя, и, если не применены специальные методы для повышения устойчивости основания, возможно появление остаточных деформаций, образование неравномерных осадок и оползнеобразование. Следовательно, при проектировании сооружений на грунтах необходимо учитывать их тиксотропные свойства.
Рис. 3. Влияние влажности суглинистого грунта на тиксотропное разупрочнение: 1, 2 – при вибрации с частотой 50 Гц; 3 – при одиночном ударе
Изучение тиксотропии следует считать первоочередной задачей грунтоведения, так как инженерно-геологическое значение тиксотропных явлений очень велико. В ряде случаев катастрофические деформации автомобильных и железных дорог, образование оползней объясняются данным явлением. Иными словами, тиксотропия имеет довольно широкое развитие и оказывает влияние на строительство и эксплуатацию автомобильных дорог. Для снижения отрицательного воздействия динамической нагрузки на свойства грунта разрабатываются различные мероприятия, направленные на улучшение свойств глинистых грунтов, а также способы повышения стабильности земляного полотна.
Список литературы
1.Вознесенский Е.А. Поведение грунтов при динамических нагрузках: учеб. пособие. – М.: Изд-во МГУ, 1997. – С. 190–202.
2.Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. Грунтове-
дение. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – С. 538–546.
3.Мащенко А.В., Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н. Специальные методы механики грунтов и механики скальных пород: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – С. 56–60.
4.Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д. Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах. – М.: Транспорт, 1976. – 271 с.
550
