книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

Глава 1

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОЩАДОК, СЛОЖЕННЫХ СЛАБЫМИ ВОДОНАСЫЩЕННЫМИ ГЛИНИСТЫМИ ГРУНТАМИ

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ НА ТЕРРИТОРИИ СССР И ДРУГИХ СТРАН

До последнего времени под термином «слабые грун­ ты» различные исследователи понимали совершенно раз­ ные группы грунтов с различными свойствами. На конфе­

щенными глинистыми грунтами понимать глинистые грунты, которые в интервале изменения давления от 0,5

озерные, лиманные, дельтовые, болотные и реже делюви­ альные и пролювиальные отложения. Кроме того, слабы­ ми водонасыщенными глинистыми грунтами могут быть и грунты другого происхождения, которые в результате литогенеза оказались сильносжимаемыми.

По литологическому составу и текстурным признакам к этой группе грунтов относятся илы, ленточные глины, пылеватые суглинки (водонасыщенные лёссовые макро* пористые) и некоторые другие виды глинистых грунтов.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты различно­ го происхождения часто залегают ниже уровня грунто­ вых вод (либо ниже верховодки).

Морские грунты, представленные водонасыщенными сильносжимаемыми разностями, широко распространены вдоль побережья Ледовитого океана, в бассейне нижнего течения Печоры, Северной Двины и прослеживаются вдоль долин всех крупных рек, впадающих в Ледовитый океан. Они распространяются далеко на юг и достигают

10

бассейнов Ваги и Вычегды, где наблюдалось несколько морских трансгрессий. В результате последующих подня­ тий суши слабые глинистые грунты встречаются даже на высоких отметках (до 280 м).

Большие толщи водонасыщенных глинистых грунтов (до 30 м) встречаются в районах Балтийско^Беломорского бассейна. В этом районе происходили сложные геоло­ гические процессы, в результате которых во многих мес­ тах озерно-ледниковые и моренные грунты перекрыты слабыми глинистыми грунтами послеледниковых, мор­ ских, озерных и болотных отложений, относящихся к осадкам Рыбного озера, Иольдиевого, Анцилового и Литоринового морей. Согласно исследованиям В. С. Яковлева, при отступлении ледника вдоль юго-восточной окраины Балтийского щита образовалось огромное прес­ новодное озеро (Рыбное). Характерными отложениями этого озера являются ленточные глины, толщина которых достигает нескольких десятков метров. Отложения лен­ точных глин Рыбного бассейна занимают большую тер­ риторию и встречаются в районе Псковского и Ильменьского озер, Волхова, на побережье Онежского озера и т. п.

Слабые глинистые грунты морских отложений Кас­ пийского бассейна занимают территорию от подножия Ергеней до Урала. На этой огромной равнине встречают­ ся отложения различных трансгрессий Каспийского моря и озерно-болотные отложения, связанные с регрессией моря. От этого сплошного поля каспийских отложений слабые водонасыщенные глинистые грунты отходят узки­ ми полосами вдоль долин Волги, Большого Иргиза, Ура­ ла и Узеня. Узкая полоса каспийских отложений также проходит вдоль долины Маныча и Западного Кавказско­ го побережья. Для этих отложений характерно содержа­ ние большого количества солей. В составе многих грун­ тов имеется гипс. Толщина слоя слабых грунтов морского происхождения Каспийского бассейна обычно не превы­ шает 12—15 м.

Морские глинистые отложения Черноморского бас­ сейна встречаются на Кавказском побережье Черного моря, на Таманском и Керченском полуостровах, а также вдоль Азовского побережья. Грунты этого района харак­ теризуются различными свойствами. Здесь встречаются как сильно засоленные, так и практически полностью оп­ ресненные отложения. Во многих местах (например, в районе Таманского полуострова) толща слабых водона-

U

сыщенных глинистых грунтов перекрыта почвой и лёссо­ видными суглинками. Толщина слоя слабых грунтов из­ меняется от 2—3 до 16—18 м.

Слабые глинистые грунты морского происхождения занимают большие территории на Западнъ-Сибирской низменности и залегают в виде то расширяющейся, то суживающейся полосы до устья р. Хатанги. Эти морские грунты встречаются также на Чукотском и Охотском по­ бережьях, на Сахалине и в Уссурийском крае. В резуль­ тате трансгрессий и последующих поднятий суши грунты морского происхождения встречаются здесь на высоте до 500 м. Максимальная толщина слоя слабых водонасыщенных глинистых грунтов этого района достигает 35 м (о. Сахалин). В большинстве случаев слабые водонасыщенные глинистые грунты обычно залегают только в верхней части толщи морских отложений. Консистенция грунтов (обычно начиная с глубины 6—7 м от поверхнос­ ти) переходит из мягкопластичной и текучей в тугопластичную и твердую.

Наиболее часто встречаются слабые водонасыщенные

глинистые грунты озерного и речного происхождения. Об­ разование этих грунтов связано с целым рядом процес­ сов, которые происходили в четвертичный период на тер­ ритории СССР. К ним относятся неоднократные наступ­ ления и отступления ледника, наступление и отступление морей, многократное изменение базиса эрозии и образо­ вание террас в долинах рек, озер, депрессиях и котловин­ ных понижениях. В результате отступления ледника и моря возникали многочисленные озера, в которых откла­ дывались различные осадки, а в речных долинах накап­ ливались аллювиальные отложения.

Озерно-ледниковые глинистые грунты в основном залегают в районе распространения бывших ледников — в северо-западной части СССР, а также вдоль побе­ режья Ледовитого океана и в некоторых областях Кавка­ за, Памира и т. п. Как правило, они имеют спорадичес­ кое распространение; мощность слоя изменяется от 2 до 12 м.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты аллюви­ ального происхождения занимают большие территории в долинах Днепра, Западной Двины, Волги, Оки, Камы, Оби, Енисея, Лены, Сырдарьи, Амударьи, Дона, Хопра и др. Грунты пойменных и надпойменных террас представ­ лены также отложениями стариц и болот. Наибольшие

12

толщи слабых водонасыщенных глинистых грунтов встречаются в дельтах рек, занимающих огромные тер­ ритории. Так, дельта Волги (считая от истока Ахтубы) занимает приблизительно 12 тыс. км2, а дельта Амударьи 10 тыс. км,2. Часто дельтовые отложения образуются на месте бывшего морского залива, в результате чего под их толщей залегают слабые глинистые грунты морского происхождения. Обычно дельты рек, протекающих в низ­

представляют собой толщу слабых водонасыщенных гли­ нистых грунтов, простирающихся на большую террито­ рию и залегающих на глубину до 20 м.

Для грунтов аллювиального происхождения характер­ на малая изменчивость характеристик сжимаемости и прочности по глубине. В дельтовых отложениях встреча­ ются часто органические включения.

К слабым водонасыщенным глинистым грунтам от­ носятся также некоторые виды моренных отложений. Обычно эти грунты конечной морены, отложенные при отступлении ледников. В подавляющем большинстве случаев они имеют неравномерное уплотнение и значительно большую пористость, чем грунты донной морены.

Ледниковые и флювиогляциальные отложения очень неоднородны по составу и свойствам. Большие террито­ рии на северо-западе СССР заняты ленточными глина­ ми. Эти грунты широко распространены в республиках Прибалтики, в Ленинградской и Новгородской областях. Ленточные глины обладают рядом специфических осо­ бенностей и при нарушении природной структуры резко снижают свои прочностные и деформативные характерис­ тики. Толщина слоя ленточных глин достигает 30 м.

Развитие ирригации привело к тому, что большие массивы лёссовых грунтов стали водонасыщенными и по характеристикам сжимаемости и прочности также отно­ сятся к слабым водонасыщенным глинистым грунтам. Следует отметить, что лёссовые грунты занимают боль­ шие территории в СССР и потенциально при обводнении могут стать слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами.

Кроме четвертичных отложений к слабым водонасы­ щенным глинистым грунтам можно отнести и более древ-

13

иие отложения, верхняя часть слоя которых в результате длительного обводнения оказалась сильносжимаемой (например, верхние слои юрских отложений и т. п.).

Из сказанного видно, что большие территории в

СССР, расположенные вдоль рек, морей, озер (т. е. вбли­ зи источников водоснабжения и транспортных маги­ стралей, которые весьма удобны для размещения промышленных и жилых центров), сложены слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами. Именно поэтому проблемы, связанные с использованием таких грунтов в качестве оснований сооружений, весьма актуальны. Боль­ шие сложности возникают при возведении сооружений на глинистых грунтах морских акваторий, которые в пос­ ледние годы широко осваиваются для добычи нефти (Каспийское и Северное море и т. п.).

Огромные толщи слабых водонасыщенных глинистых грунтов встречаются также вдоль побережий Тихого, Ат­ лантического и Индийского океанов и подавляющего чис­ ла морей. Сильносжимаемые водонасыщенные глинистые грунты часто используются в качестве оснований соору­ жений в Японии, Голландии, Индии, Китае, Индонезии, Вьетнаме, Ираке, Польше, Франции, Аргентине и во мно­ гих других странах. Толщина слабых водонасыщенных глинистых грунтов в отдельных районах этих стран до­ стигает 80 м.

Совершенно очевидно, что в группу «слабые водона­ сыщенные глинистые грунты» входят грунты, различные по минералогическому составу, структуре, происхожде­ нию и многим другим показателям. Ясно, что очень сложно для такси большой группы грунтов найти общие закономерности изменения их физико-механических свойств при уплотнении. Однако в связи с тем, что эти грунты имеют близкие показатели прочностных и деформативных характеристик, и с учетом того, что у всех этих грунтов больше 80% пор заполнено водой, можно наде­ яться', что многие закономерности, выявленные для одно­ го вида грунтов рассматриваемой группы, будут либо по­ добными, либо идентичными и для других видов грунтов этой группы.

Совершенно очевидно также, что после установления общих закономерностей для всей группы необходимо ус­ тановить закономерности, характерные для одного или нескольких видов входящих в группу грунтов, и учиты­ вать эти специфические особенности при использовании

14

грунта именно этого вида в качестве оснований сооруже­ ний.

Нам представляется, что различия свойств отдельных видов слабых водонасыщенных глинистых грунтов значи­ тельно меньше, чем различия в закономерностях уплот­ нения, прочности и других свойствах, с одной стороны, слабых, а с другой — малосжимаемых прочных глини­ стых грунтов.

Так как в подавляющем большинстве случаев до по­ следних лет строители старались использовать площадки, сложенные прочными грунтами, а площадки, сложенные слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами, чаще всего признавались непригодными для строительства, в настоящее время необходимо провести глубокие и разно­ сторонние исследования с целью изучения свойств этих грунтов, закономерностей их сжимаемости и других про­ цессов, которые необходимо знать для обоснованного проектирования и строительства на слабых водонасы­ щенных глинистых грунтах.

2. ОБЪЕМ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

Объем инженерно-геологических исследований пло­ щадки, сложенной слабыми водонасыщенными глинис­ тыми грунтами, зависит от степени ее изученности, слож­ ности инженерно-геологических условий, а также от проектируемого сооружения, величины и вида нагрузок, передающихся на фундаменты (вибрационных, ударных, статических), и от типа фундамента, требующегося по технологическим соображениям (сплошная плита, короб­ чатая плита, расположение подвала под частью дома, от­ дельно стоящие или заглубленные на разную глубину фундаменты и т. п.).

В объем инженерно-геологических изысканий входит установление типа и размещение выработок, диаметра и глубины буровых скважин, необходимого количества об­ разцов, отбираемых из грунта основания, и т. п. Объем инженерно-геологических исследований зависит также от стадийности проектирования (в одну или две стадии).

Если проектирование проводится в одну стадию, ин­ женерно-геологические выработки размещают в зависи­ мости от инженерно-геологических условий участка. Так, если площадка сложена водонасыщенными лёссовыми грунтами, ленточными глинами или другими глинисты-

15

ми отложениями, которые образовались в больших вод­ ных бассейнах и слои которых обычно выдержаны по простиранию и толщине, расстояние между буровыми скважинами для площадок промышленных и граждан­ ских сооружений может быть принято равным 35—45 м. Если площадка сложена глинистыми отложениями, у ко­ торых толщина слоя обычно не выдержана по простира­ нию (старичные отложения и т. п.), расстояние между буровыми скважинами следует принять равным 15—20 м.

Для сооружений, осадка которых не должна превы­ шать 5 см, указанные расстояния следует уменьшить на 30%. Если слои слабых водонасыщенных глинистых грунтов залегают наклонно (с уклоном более 1:3), рас­ стояние между скважинами следует принимать равным 10—15 м.

В связи с тем, что природная структура слабых грун­ тов при отборе их из шурфов полностью сохраняется, обычно около 20% общего количества скважин составля­ ют шурфы.

Глубина буровых скважин принимается такой, чтобы был пройден весь слой слабых водонасыщенных глинис­ тых грунтов и не менее 2 ж в грунтах подстилающего слоя. Количество скважин, из которых производился от­ бор образцов с ненарушенной структурой, обычно прини­ мается равным 25—40% общего числа выработок.

В некоторых районах СССР слабые водонасыщенные глинистые грунты залегают на большую глубину. Совер­ шенно очевидно, что бурить все скважины на эту глуби­ ну нецелесообразно при изысканиях площадок для не­ больших сооружений. В этом случае по краям участка проходит не менее трех скважин на всю глубину слоя сла­ бых водонасыщенных глинистых грунтов с заглублением в подстилающие грунты, а глубину остальных скважин принимают в зависимости от типа сооружений и нагру­ зок на фундаменты. В среднем при толщине слоя сла­ бых грунтов более 25 м их проходят на глубину 10— 15 м.

Надежным методом определения глубины залегания слоев грунтов с одинаковыми свойствами является ста­ тическое зондирование. По данным статического зонди­ рования могут быть также приближенно установлены прочностные и деформативные свойства водонасыщенных глинистых грунтов. Точки зондирования следует распо­ лагать между скважинами, а расстояние между скважи-

16

влажность, целесообразно для определения природной влажности кроме монолитов из скважин и шурфов одно­ временно отбирать пробы грунта с нарушенной структу­ рой.

При проектировании свайных фундаментов на стадии проектного задания следует проходить скважины такой глубины, чтобы они превышали длину предварительно запроектированных свай не менее чем на 5 м (считая от низа свай), если сваи полностью проходят слой слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Если принимаются сваи, висячие в толще слабых грунтов, следует глубину скважин увеличивать на 8—12 м по сравнению с длиной сваи (больший предел указан для случая, когда на свай­ ный фундамент передается нагрузка более 300 тс).

При изысканиях на стадии рабочих чертежей (особен­ но при изысканиях на территориях крупных промышлен­ ных предприятий) целесообразно применять статическое зондирование. Оно позволяет выяснить, как изменяются физико-механические характеристики грунтов по глуби­ не и по простиранию. Под каждое здание целесообразно пройти не менее пяти точек методом статического зонди­ рования.

Кроме статического зондирования следует также про­ извести испытание грунтов в скважинах при помощи ло­ пастного прибора. Обычно проводится не менее шести та­ ких испытаний в каждом выделенном слое для последую­ щей статистической обработки результатов исследо­ ваний.

При разработке проекта искусственных оснований под различные сооружения с использованием вертикальных песчаных дрен, песчаных или известковых свай и т. п. не­ обходимо предусмотреть проведение дополнительных ин­ женерно-геологических исследований в процессе строи­ тельства сооружений. Так, после устройства пригрузочной насыпи при применении вертикальных песчаных дрен необходимо не реже чем 1 раз в три месяца отрывать шурфы в различных точках уплотняемого основании (не менее трех шурфов) и исследовать отобранные образцы в лабораторных условиях для выявления изменения ха­ рактеристик прочности и сжимаемости грунта в процес­ се уплотнения. Для особо ответственных сооружений, в основании которых устроены вертикальные песчаные дре­ ны, перед снятием пригрузочной насыпи желательно про­ вести испытания грунтов штампами. Испытания грунтов

18

штампами следует также проводить после окончания устройства песчаных и известковых свай для определе­ ния фактических характеристик сжимаемости уплотнен­ ных грунтов и для корректирования расчетных осадок фундаментов проектируемых сооружений.

3. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ ГРУНТА С НЕНАРУШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

Очень часто при отборе образцов природная структу­ ра грунта нарушается. Установлено, что в водонасыщенных глинистых недоуплотненных под действием собст­ венного веса грунтах природного сложения поровая вода находится под определенным давлением. Величина этого давления существенно зависит от глубины расположения образца и фильтрационных свойств грунтов этого слоя (см. п. 1 главы I I ) . При отборе образцов условия дрени­ рования резко изменяются и грунт образца под действи­ ем порового давления разуплотняется. Поэтому необхо­ димо при отборе образцов с большой глубины применять такие приборы, чтобы под действием природного порово­ го давления, которое по'данным наших исследований мо­ жет достигать 0,6 кгс/см2, не произошло расширения об­ разца. Чем больше размер извлекаемого образца, тем меньше влияние этого давления на изменение его объ­ ема.

Для сохранения природной структуры грунта образцы слабых водонасыщенных грунтов необходимо отбирать в металлические обоймы с жесткими стенками. Размеры образцов должны быть не менее 25X25X25 см. Образцы такого размера можно испытывать на компрессионных и срезных приборах с трехкратной повторностью опытов, а при исследованиях этих образцов в приборах трехосно­ го сжатия удается вырезать из одного монолита тричетыре образца-близнеца, которые небходимы для обо­ снованного суждения о прочностных характеристиках слабых грунтов.

В настоящее время для отбора образцов из буровых скважин применяются грунтоносы различных видов. Вопросам методики и техники отбора монолитов грунтов было даже посвящено совещание, которое проходило в 1966 г. в Белгороде. Для изучения возможности применения грунтоносов различной конструкции в сла­ бых водонасыщенных глинистых грунтах были проведе­ ны исследования в МИСИ им. В. В. Куйбышева. Эти ис-