Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

Прочностные характеристики насыпных гратов необходимо определять с учетом условий формирования насыпных откосов, срок службы которых обычно невелик. Поэтому при расчетах устойчивости насыпи, основание или тело которых сложено глинистыми водонасы-щенными грунтами, следует учитывать незавершенность уплотнения грунтовых масс, оцениваемую по

результатам сдвиговых испытаний глинистых грунтов, выполненных для различных стадий уплотнения. Влияние фактора времени на состояние грунтов насыпи сказывается в приобретении этими грунтами уплотнения и сцепления упрочнения. Величина «вторичного» сцепления существенно зависит от состава пород, времени существования насыпи и упрочняющей нагрузки. Время, необходимое для приобретения насыпными грунтами проч-

ности и плотности, свойственных для них в естественном состоянии,

приведено в табл. 28.

Таблица 28

В Намывные грунты. Данные грунты создаются средствами гидромеханизации с помощью трубопроводов. Выполняют организованные и неорганизованные намывы. При организованных намывах, которые производятся в инженерно-строительных целях, возникают грунты с заранее заданными свойствами. Так, намываются высокоплотные толщи песка,

предназначенные служить основанием зданий и сооружений. При неорганизованном намыве решаются задачи перемещения грунта для освобождения рабочих площадей. Примером могут служить вскрышные работы на месторождениях полезных ископаемых и строительных материалов.

Возведение грунтовых сооружений и территорий способами гидро-

механизации всегда включает:

• гидравлическую разработку грунта (обычно землесосными снаря-

дами, реже гидромониторами);

• гидротранспорт грунта (по магистральным и распределительным

трубопроводам);

• намыв грунтов в земляные сооружения или намывные территории.

Современный уровень развития и технические средства гидромеханизации земляных работ позволяют возводить намывные сооружения

практически из любых видов дисперсных грунтов от крупнообломоч-

ных до глинистых.

Природа инженерно-геологических свойств намывных грунтов оп-

ределяется, главным образом, их составом и физико-химическим взаимодействием минеральных частиц с водой. Состав грунтов в гидроотвале зависит от состава и условий залегания породы в естественных условиях,

технологических факторов и химического состава поровых вод. К числу основных технологических факторов относятся: способ гидровскрышных работ; способ выпуска гидросмеси на карту намыва; интенсивность намывных работ. Свойства намывных грунтов зависят от физико-

географических факторов —рельефа ложа и климата, инженерно-

геологических свойств грунтов основания намывного сооружения — состава,

состояния и свойств подстилающих намывные сооружения фунтов.

Состав минеральных и органических компонентов намывных грунтов определяет характер развивающихся в них структурных связей и время приобретения намывными грунтами заданных физико-механических свойств.

Следует отметить, что при намыве гидросмесь разделяется на фракции.

Грубые частицы концентрируются около выпуска гидросмеси, т. е. там, где формируется приоткосная (пляжевая) зона, преимущественно тонкопесчаные пылеватые частицы слагают промежуточную зону и самые тонкие

(глинистые и пылеватые) частицы формируют прудковую зону гидронамывного сооружения.

Специалисты выделяют три стадии формирования свойств намывных грунтов: уплотнение, упрочнение и стабилизированное состояние намывных грунтов.

После образования намывных грунтов —осадкообразования, свя-

занного с выпадением минеральных частиц из потока гидросмеси,

поступающей на карту намыва, грунт находится в состоянии, близком к полному водонасыщению, и имеет очень рыхлое сложение (степень водонасыщения (Sr) намывных песков в этом случае не опускается ниже значения 0,8) —начинается стадия уплотнения.

Эта стадия характеризуется интенсивным развитием процессов уплотнения намывных грунтов. Повышение плотности достигается за счет гравитационного уплотнения; фильтрационного обжатия грунта в процессе интенсивной водоотдачи; капиллярно-менискового обжатия фунта под влиянием капиллярного давления. В этот период происходит основная часть самоуплотнения намывных фунтов. Для большинства намывных песков длительность стадии уплотнения не превышает 1 года.

Стадия упрочнения характеризуется продолжением приобретения прочностных свойств намывных фунтов за счет формирования, главным образом, инфильтрационного обжатия песка, а также от действия статического давления верхних ярусов намыва и кольматации. Между частицами начинают возникать различные виды цементационных связей. В

результате намывные фунты приобретают повышенную прочность и динамическую устойчивость. Длительность этой стадии составляет от 1,5 до

3 лет (изменение свойств намывных грунтов во времени приведены в табл.

29).

На стадии стабилизационного состояния упрочнение намывных грунтов продолжает формироваться, главным образом, за счет образования водостойких цементационных связей (представленных, например, гелем кремневой кислоты). Процесс носит затухающий характер. В конце стадии намывные пески относятся уже к категории значительно упрочненных и по прочностным данным приближаются к поздне-четвертичным аллювиальным пескам. Длительность этой стадии для намывных фунтов может достигать 10

лет.

Таблица 29

Антропогенные образования. Под ними понимают твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья. К ним относятся:

бытовые отходы, концентрирующиеся на городских и поселковых свалках, и

промышленные отходы, включающие строительные отходы, шлаки, шламы,

золы, золошлаки и др.

Формирование антропогенных образований, с одной стороны, связано с геологическими и геоморфологическими условиями местности, а с другой

— с историей города или поселка, с характерной промышленной,

хозяйственной и культурной деятельностью человека. Антропогенные

образования являются специфическими грунтами, изучение которых должно проходить при сочетании инженерно-геологических, историко-

археологических, технологических и геоэкологических методов исследований. В пределах промышленных центров и городских свалок большинство антропогенных образований являются источниками экологического загрязнения природной среды и особенно верхней части литосферы и гидросферы.

Накопление (складирование) антропогенных образований происходит за счет отвала или намыва различного мусора в пределах городских территорий (образование «культурного слоя»), на специально отведенных площадях под городские свалки твердых бытовых отходов и строительного мусора, на полях фильтрации, в пределах хвостохра-нилищ крупных промышленных предприятий (металлургических комбинатов, ТЭС и ТЭЦ,

горно-обогатительных комбинатов и др.). В связи с этим, по способу накопления антропогенные образования подразделяют на насыпные,

намывные и намороженные (в условиях сурового климата и на территориях распространения многолетнемерзлых пород).

Антропогенные образования имеют своеобразный состав, форми-

рующийся в процессе их накопления. Для большинства городских свалок отмечается крайняя неоднородность состава как по вертикали, так и в горизонтальном направлении, большая изменчивость мощности этих отложений по простиранию (от нескольких сантиметров до 15—20 м). Для насыпных и намывных антропогенных образований в хвостохра-нилищах состав отложений может отличаться большой однородностью1 (шлаки, зола и др.).

Основные инженерно-геологические свойства антропогенных об-

разований зависят от их минералогического и гранулометрического состава,

глубины залегания (мощности), наличия или отсутствия органических веществ (органических остатков), водонасыщенности, минерализации подземных вод, длительности существования, рельефа и характера

естественных подстилающих грунтов. На грунтах бытовых свалок возводить здания и сооружения чрезвычайно трудно. Лучше обстоит дело с грунтами из промышленных отходов, особенно типа отвалов и намывных хвостохранилищ ГОК. Общим для всех этих фунтов является недоуплотненность, водонасыщенность, способность к большой сжимаемости.

Ориентировочно периоды времени, необходимые для естественного уплотнения различных видов антропогенных образований, представляются следующим образом: 1) отвалов шлаков, формовочной земли, отходов обогатительных фабрик, золы в зависимости от состава — 10—20 лет; 2)

свалок отходов различных производств и бытовых отходов в зависимости от состава — 10—30 лет.

Грунты любых антропогенных образований, особенно крупномас-

штабных, вызывают разнообразные нагрузки на геологическую среду, во многих случаях существенно изменяют условия ее «жизни» и,

взаимодействуя с другими геосферами, могут привести к нарушению равновесного состояния геологической среды, вызвать нежелательные для человека экологические изменения. Таким образом, при рассмотрении вопросов складирования и строительства сооружений из антропогенных образований на первый план должна выдвигаться комплексная задача прогнозирования инженерно-геологических и гидрогеологических условий,

территорий, отводимых для их складирования, изменения во времени свойств этих грунтов, активизации или возникновения неблагоприятных инженерно-

геологических процессов, разработки оптимальных мероприятий по охране природной среды.

В силу разнообразия, входящих в антропогенные образования,

материалов, содержащих в своем большинстве вредные вещества, а также индивидуальностей инженерно-геологических и гидрогеологических условий районов складирования — схемы защиты окружающей природной среды могут быть весьма разнообразными. Необходимые объемы защитных

мероприятий, диктуемые наличием антропогенных образований, и их стоимость во многом зависят от правильного выбора места их складирования. Оптимально они должны размещаться:

•на площадях с инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, требующими наименьших затрат на природоохранные мероприятия;

•ниже мест водозаборов питьевой воды; рыбоводных хозяйств и мест нереста рыбы;

•на землях, не пригодных для сельского хозяйства, промышленного и гражданского строительства.

Улучшенные грунты. Многие грунты в их природном залегании имеют физико-механические свойства, которые не отвечают необходимым требованиям строительства. Это могут быть как скальные (трещиноватые,

выветрелые), так и нескальные (биогенные, просадоч-ные и т. д.) грунты.

Природные грунты, свойства которых ухудшились в процессе строительных работ (искусственно разрыхленные, увлажненные и т. д.), называют ухудшенными грунтами. Свойства грунтов, главным образом, прочностные и деформативные характеристики, Могут быть искусственно изменены в лучшую сторону с помощью технической мелиорации фунтов. В этом случае их называют улучшенными грунтами.

Улучшение свойств фунтов производят в условиях природного залегания или после соответствующей переработки и последующей их укладки, например, в основание объекта. Каждый улучшенный фунт имеет наперед заданные свойства и становится вполне пригодным для решения тех или иных строительных задач. Для промышленно-фаж-данского строительства улучшенные фунты чаще всего используются в качестве оснований зданий и сооружений. Наиболее широкое применение улучшенные фунты получили при возведении объектов на вечной мерзлоте,

просадочных лессовых фунтах.

ГЛАВА 11

ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ

Многие грунты в своем природном состоянии по своим свойствам не отвечают тем или иным требованиям строительства. Они могут быть недостаточно прочными, неводостойкими, переувлажненными, рыхлыми,

трещиноватыми, с большим содержанием органического материала и т. д. В

связи с этим в ряде случаев появляется потребность в определенном преобразовании грунтов и придании им тех или иных необходимых для строительства свойств.

При решении инженерно-строительных задач очень часто приходится преобразовывать как скальные и полускальные, так и дисперсные и мерзлые природные грунты для улучшения их свойств в соответствии с требованиями видов строительства. Это, как правило, приводит к созданию улучшенных по свойствам грунтов. В связи с этим, согласно ГОСТ 25100—95, природными образованиями, измененными в условиях естественного залегания, являются природные грунты, для которых средние значения показателей химического состава изменены не менее чем на 15 %. При этом к ним относятся не только грунты, подвергшиеся целенаправленным изменениям, но и природные грунты, в которых под влиянием деятельности человека произошли различные изменения в составе, строении, состоянии и свойствах.

Решением вопросов улучшения свойств грунтов занимается специ-

альное направление инженерной геологии — техническая мелиорация грунтов. Наиболее широкое применение техническая мелиорация фунтов нашла при строительстве зданий и сооружений в целях искусственного изменения свойств фунтов в сторону улучшения их основных свойств:

прочности, водоустойчивости, снижения водопроницаемости, что особенно важно, когда эти грунты используются в качестве оснований.

Существуют два основных пути получения улучшенных грунтов — уплотнение (изменение физическим воздействием) и закрепление (изменение физико-химическим воздействием). Под грунтами, измененными физическим

воздействием, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие, оттаивание и т. д.) изменяет строение и фазовый состав. Под фунтами, измененными физико-химическим воздействием, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру. При уплотнении, как правило, дисперсных грунтов происходит уменьшение их пористости, увеличивается количество контактов между частицами. Это приводит к увеличению общей прочности грунтового основания и уменьшению его сжимаемости. Грунты уплотняются как с поверхности (катками, тяжелыми трамбовками, вибрацией, замачиванием),

так и в глубине толщ (грунтовые сваи, взрывы, замачивание и т. д.).

При закреплении увеличивается прочность грунтов. Это достигается повышением прочности контактов между отдельными частицами грунта или грунтовыми агрегатами путем склеивания частиц различными химическими веществами (силикатизация, цементация и другие методы), спекания частиц друг с другом (при обжиге грунтов, применение СВЧ —сверхвысоких частот), путем создания ледовых контактов (замораживание грунтов), путем армирования грунтового массива (применение различных типов анкеров,

геотекстильных и нетканых синтетических материалов) и т. д.

Для упрочнения скальных и полускальных трещиноватых грунтов используют в основном закрепляющие методы — цементацию, биту-

мизацию, глинизацию и др. Улучшение свойств дисперсных грунтов производятся всеми методами как закрепления, так и уплотнения. Для крупнообломочных грунтов используют силикатизацию, цементацию,

битумизацию, замораживание (при небольших значениях коэффициентов фильтрации); для песчаных грунтов—силикатизацию, термическую обработку, смолизацию, кольматацию, замораживание, виброуплотнение,

трамбование, укатку, замачивание и др.; для связных грунтов— силикатизацию, электроосмос, термическую обработку, трамбование, укатку,

взрывы, замачивание (для лессов), замораживание и др.; для связных