4 4 4

~~

~ +Q)~ ~

Рис. 61 . Возведение зданий на вечномерздЫХ грунтах:

а - на скальном основании; б- с сохранением мерзлоты; в - с заменой мерзлого грунта на слой грав11я; 1 -деятельный слой; 2 - вечная мерзлота; 3 - грав11й; 4- здания

грунтов, технических возможностей строительной организации

(рис. 61).

Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзло­ ты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов осно­ ваний, постоянных профилактических и рем()нтно-восстановите­ льных работ.

В условиях развивающегося экологическог() кризиса серьезной

проблемой становится нарастающая тенденцил к деградации веч­

ной мерзлоты, что влечет за собой деформации сооружений.

Проблема является геоэкологической и может быть разрешена ее

методами.

ТЕХНОГЕННЫЕ ГРУНТЫ

Выше, при описании горных пород, мы уже останамивались

на искусственных, в том числе и техногенных, образованиях.

Здесь же мы сосредоточимся на грунтоведчеекай характеристике

техногеиных грунтов.

На поверхности литосферы при проведении различных строи­

тельных и горных работ, в результате произв()дственной деятель­

ности человека образуется достаточно большое количество отло­ жений, представляющих собой или отходы хозяйственной

деятельности человека (отвалы шахт, заводов, городские свалки и

т. д.), или отложения, специально созданньtе человеком в строите­ льных и производственных целях (намывные грунты, грунты об­

ратной засыпки, насыпи дорог и т. д.). Эти образования получили

название техногенных грунтов, иногда именуемых антропогенными.

255

В настоящее время именно под техногенны.ми грунтами пони­

мают естественные трунты и почвы, измененные и перемещен­

ные в результате производственной и хозяйственной деятельно­

сти человека, и антропогенные образования. Под антропогенны.ми

образованиями следует понимать твердые отходы производствен­

ной и хозяйственной деятельности человека, в результате кото­ рой произоiiШи коренные изменения состава, структуры и тек­

стуры природного минерального и органического сырья.

Наибольшая часть искусственных трунтов на Земле приуроче­ на к промыiiШенным и городским территориям. Особое беспо­

койство при этом у человечества вызывают бытовые и производ­ ственные отходы, которые занимают очень большие, непрерывно расширяющиеся площади и уже наносят серьезный вред жизнен­ ной среде человека.

Большое количество искусственных трунтов образуется также

в результате военных действий, что тоже значительно изменяет облик земной поверхности, существенно нарушает природные

массивы горных пород, создает искусственные трунтовые накоп­

ления как из природных минеральных масс, так и за счет разру­

шенных зданий и сооружений.

Техногеиные трунты используются в качестве оснований зда­

ний и сооружений, а также материала для строительства различ­ ных инженерных сооружений (земляных плотин, насыпей авто­

мобильных и железных дорог и пр.). Глобальный объем техногеиных отложений в различных сооружениях измеряется сотнями миллиардов кубических метров. Только при добыче, пе­ реработке и сжигании твердого топлива каждые 5 лет в отвалах

извлекаемого человеком для своих нужд сырья в окружающую

среду возвращается 99 кг, но уже в виде отходов! Классификация техногеиных грунтов. Инженерно-геологические

свойства техногеиных трунтов определяются составом материн­ ское породы или отходов производственной и хозяйственной де­

ятельности и характером воздействия на них человека. По пет­ ротрафическому составу техногеиные трунты могут быть самыми

различными. В соответствии с общепринятой классификацией трунтов ГОСТ 25100-95 <<Грунты. КлассификациЯ>> техногеиные

трунты выделены в отдельный класс.

Классификация техногеиных трунтов (табл. 26) включает шесть

таксономических единиц, вьщеляемых по следующим труппам признаков:

• класс - по общему характеру структурных связей;

256

Продолжение табл. 26

Класс [jlуппа Подrруппа Тип Вид Рази01111д11ости

f----f-------11--------+=.::..ские:....-----t---------iнабухания без нагрузки (глинистые

17) температуре

•группапо характеру структурных связей (с учетом их проч-

ности);

•подгруппа -по происхождению и условиям образования;

• тип - по вещественному составу;

•вид - по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и

показателей свойств);

•разновидность - по количественным показателям веществен­

ного состава и структуры грунтов.

К недостаткам данной классификации относят отсутствие в

классификации техногеиных грунтов указаний на источники и

способы формирования этих грунтов, на планомерность или не­

планомерность отсыпания (намыва) грунтов, целенаправленно

или случайно изменены rрунты и др. В связи с этим специали­ стами ряда организаций предложен несколько другой подход к

классификации техногеиных грунтов (табл. 27). Однако и данная

классификация не лишена недостатков и требует дальнейшего

уточнения.

Инженерно-геологические особенности техноrенных грунтов

будут рассмотрены ниже на третьем уровне их подразделения

(подгруппа) в соответствии с классификацией ГОСТ 25100-95. Культурные слои. Эти образования имеют своеобразные со­

став, обусловленный чаще всего геологическими условиями мест­

ности и включениями, которые определяются характером хозяй­

ственно-культурной деятельности человека. Они имеют обычно

весьма неоднородный состав как по площади, так и по вертика­ ли. Культурные слои в условиях роста масштаба градостроитель­ ства, урбанизации широко вовлекаются в строительную практику. В связи с неоднородностью и изменчивостью по площади соста­

ва и строения их изучение требует больших усилий и затрат. По­

этому строительство на многометровых культурных слоях являет­

ся сложной задачей и требует при инженерно-геологических изысканиях разработки специальных материалов, способов и

приборов, которые в итоге позволят надежно осушестмять стро­ ительство зданий и сооружений на территориях отвалов строите­

льного мусора, бытовых и производственных отходов. На терри­ ториях старых кладбищ строительство запрещено; равно как и на

скотомогильниках.

Природные пере.мещенные образования. К природным перемещен­

ным образованиям относятся природные грунты, изъятые из мест

их естественного залегания и подвергнутые частично производет­

венной переработке в этом процессе. Природные перемещенные

образования формируются, как правило, из дисперсных связных

и несвязных грунтов. Скальные и полускальные грунты сначала

подвергаются дроблению (например, взрывам) и перемещаются

260

уже как дисперсные крупнообломочные грунты. То же относится

ик классу мерзлых грунтов.

Природные перемещенные образования по способам укладки

делят на насыпные и намывные.

Насыпные грунты по технологии своего образования подразде­

ляют на планомерно и непланомерно отсыпанные. В свою оче­ редь, их можно разделить на строительные и промышленные. К

насыпным строительным грунтам следует отнести в первую оче­

редь грунты насыпей автомобильных и железных дорог, плотин и

дамб, насыпи под основания зданий и сооружений, грунты обрат­

ной засыпки при строительстве подземных линейных сооружений.

К промышленнымвыработанные породы горно-рудной про­

мышленности, вскрышные породы, породы из горных выработок.

Насыпные грунты формируются из грунтов соседних выемок

или за счет материала, доставленного из специально закладывае­

мых котлованов, карьеров и разрезов к месту строительства.

Структура грунтов в насыпях будет иной по сравнению со струк­

турой их в естественном залегании; водный и воздушный ре­

жимы тоже будут отличаться от природного воздушного и водно­

го режима почв и грунтов данного района.

К характерным инженерно-геологическим особенностям грун­

тов насыпей и отвалов относятся:

•нарушенность структуры грунта в теле насыпи, обусловлива­ ющая снижение прочности (по сравнению с естественным залега­ нием);

•фракционирование грунтов и самовыполаживание отвальных

откосов;

• существенное изменение прочности насыпных грунтов во

времени (сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотне­ нием или снижается при увлажнении грунтов насыпи);

• возникновение в воданасыщенных глинистых грунтах насы­

пи парового давления, являющегося существенным фактором раз­ вития оползней различных типов.

В процессе подготовки грунтов к выемке и при выемочно-по­ грузочных, транспортных и отвальных работах происходит раз­ рыхление грунтов. Коэффициент разрыхления песков (отношение

плотности в условиях естественного залегания и в насыпи) со­

ставляет 1,1-1,25; у глин он может увеличиваться до 1,6.

В зависимости от литологического состава различают одно­ родные и неоднородные насыпи. Неоднородность насыпи может

быть вызвана естественным фракционированием грунтов в про­

цессе их отсыпки. При этом мелкие и крупные фракции грунтов концентрируются соответственно в верхней и нижней частях на­

сыпи. Такое сложение насыпи происходит и в случае отсыпки

262

разнородных по составу грунтов, например песков и глин. Пес­

чаная масса при этом концентрируется в верхней части насыпи,

а куски и комки глины скатываются вниз. То же происходит при

наличии в песках включений крупнообломочного материала.

Прочностные характеристики насыпных грунтов необходимо

определять с учетом условий формирования насыпных откосов,

срок службы которых обычно невелик. Поэтому при расчетах

устойчивости насыпи, основание или тело которых сложено гли­

нистыми воданасыщенными грунтами, следует учитывать неза­

вершенность уплотнения грунтовых масс, оцениваемую по резу­

льтатам сдвиговых испытаний глинистых грунтов, выполненных

для различных стадий уплотнения.

Влияние фактора времени на состояние грунтов насыпи ска­

зывается в приобретении этими грунтами уплотнения и сцепле­

ния упрочнения. Величина <<вторичного>> сцепления суmественно

зависит от состава пород, времени суmествования насыпи и

упрочняющей нагрузки. Время, необходимое для приобретения

насыпными грунтами прочности и плотности, свойственных для

них в естественном состоянии, приведено в табл. 28.

Таблица 28

Время приобретения грунтами естественной плотности

(по данным исследований на газопроводах)

сью слаборазложившегося торфа

Намывные грунты. Данные грунты создаются средствами гид­

ромеханизации с помощью системы трубопроводов. Выполняют

организованные и неорганизованные намывы. При организован­

ных намывах, которые производятся в инженерно-строительных

целях, возникают грунты с заранее заданными свойствами. Так

намываются высокоплотные толщи песка, предназначенные слу­

жить основанием зданий и сооружений, также средненапорных

плотин и дамб, а иногда дорожных насыпей. При неорганизован­ ном намыве решаются задачи перемещения грунта для освобож­

дения рабочих площадей. Примерам могут служить вскрышные

работы на месторождениях полезных ископаемых и строительных

материалов.

263

Возведение грунтовых сооружений и территорий способами

гидромеханизации всегда включает:

•гидравлическую разработку грунта (обычно землесосными

снарядами, реже гидромониторами);

•гидратранспорт грунта (по магистральным и распределитель­

ным трубопроводам);

•намыв грунтов в земляные сооружения или намывные терри­

тории.

Современный уровень развития и технические средства гид­

ромеханизации земляных работ позволяют возводить намывные

сооружения практически из любых видов дисперсных грунтов от крупнообломочных до глинистых.

Природа инженерно-геологических свойств намывных грунтов

определяется, главным образом, их составом и физико-химиче­ ским взаимодействием минеральных частиц с водой. Состав грун­ тов в гидраотвале зависит от состава и условий залегания породы в естественных условиях, технологических факторов и химическо­

го состава поровых вод. К числу основных технологических факто­ ров относятся: способ гидровскрышных работ; способ выпуска

гидросмеси на карту намыва; интенсивность намывных работ. Свойства намывных грунтов зависят от физико-географических

фактороврельефа ложа и климата, инженерно-геологических

свойств грунтов основания намывного сооружения - состава, со­ стояния и свойств подстилающих намывные сооружения грунтов.

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 (вода-грунт) разделяется на фракции. Грубые части­

цы 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 гидранамывного сооружения.

Специалисты вьщеляют три стадии формирования свойств на­ мывных грунтов: уплотнение, упрочнение и стабилизированное

состояние намывных грунтов.

После образования намывных грунтов - осадкообразования,

связанного с выпадением минеральных частиц из потока гидро­

смеси, поступающей на карту намыва, грунт находится в состоя­ нии, близком к полному водонасыщению, и имеет очень рыхлое

сложение (степень воданасыщения Sr намывных песков в этом

случае не опускается ниже значения 0,8) - начинается стадия

уплотнения.

264

Эта стадия характеризуется интенсивным развитием процессов

уплотнения намывных грунтов. Повышение плотности достигается за счет гравитационного уплотнения; фильтрационного обжатия грунта в процессе интенсивной водоотдачи; капиллярна-мениско­

вого обжатия грунта под влиянием капиллярного давления. В этот

период происходит основная часть самоуплотнения намывных

грунтов. Для большинства намывных песков длительность стадии уплотнения не превышает 1 года.

Стадия упрочнения характеризуется продолжением приобрете­ ния прочностных свойств намывных грунтов за счет формирова­ ния, главным образом, инфильтрационного обжатия песка, а так­

же от действия статического давления верхних ярусов намыва и

кольматации. Между частицами начинают возникать различные

виды цементационных связей. В результате намывные грунты при­

обретают 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).

Таблица 29

Изменение во времени модуля общей деформвции Е (МПа)

и удельного сцепnения намывных песков С (кПа)

Новгород

На стадии стабилизационного состояния упрочнение намыв­ ных грунтов продолжает формироваться, главным образом, за

счет образования водостойких цементационных связей (представ­

ленных, например, гелем кремневой кислоты). Процесс носит за­

тухающий характер. В конце стадии намывные пески относятся

265

уже к категории значительно упрочненных и по прочностным

данным приближаются к позднечетвертичным аллювиальным пе­

скам. Длительность этой стадии для намывных грунтов может достигать 10 лет и более.

Антропоrенные образования. Под ними понимают твердые от­

ходы производственной и хозяйственной деятельности человека,

врезультате которой произошло коренное изменение состава,

структуры и текстуры природного минерального или органиче­

ского сырья. К ним относятся: бытовые отходы, концентрирую­

щиеся на городских и поселковых свалках, и промышленные отхо­

ды, включающие строительные отходы, шлаки, шламы, золы,

залошлаки и др.

Формирование антропогенных образований, с одной стороны,

связано с геологическими и геоморфологическими условиями

местности, а с другой- с историей города или поселка, с харак­ терной промышленной, хозяйственной и культурной деятельно­ стью человека. Антропогенные образования являются специфиче­

скими грунтами, изучение которых должно проходить при

сочетании инженерно-геологических, историка-археологических,

технологических и геоэкологических методов исследований. В пределах промышленных центров и городских свалок большин­ ство антропогенных образований являются источниками экологи­ ческого загрязнения природной среды и особенно верхней части литосферы и гидросферы.

Накопление (складирование) антропогенных образований

происходит за счет отвала или намыва различного мусора в пре­

делах городских территорий (образование <<культурного слою>), на

специально отведенных площадях под городские свалки твердых

бытовых отходов и строительного мусора, на полях фильтрации,

впределах хвостахранилищ крупных промышленных предприя­

тий (металлургических комбинатов, ТЭС и ТЭЦ, горно-обогати­

тельных комбинатов и др.). В связи с этим по способу накопле­ ния антропогенные образования подразделяют на насыпные, намывные и намороженные (в условиях сурового климата и на территориях распространения многолетнемерзлых пород).

Антропогенные образования имеют своеобразный состав, фор­ мирующийся в процессе их накопления. Для большинства город­

ских свалок отмечается крайняя неоднородность состава как по вертикали, так и в горизонтальном направлении, большая измен­

чивость мощности этих отложений по простиранию (от несколь­

ких сантиметров до 15-20 м). Для насыпных и намывных антро­

погенных образований в хвостохранилищах состав отложений может отличаться большой однородностью (шлаки, зола и др.).

266

Основные инженерно-геологические свойства антропогенных образований зависят от их минералогического и гранулометриче­

ского состава, глубины залегания (мощности), наличия или от­

сутствия органических веществ (органических остатков), водона­

сыщенности, минерализации подземных вод, длительности

существования, рельефа и характера естественных полстилающих грунтов. На грунтах бытовых свалок возводить здания и сооруже­ ния чрезвычайно трудно. В последние годы разрабатываются тех­ нологии рекультивации полигонов твердых бытовых отходов,

исключающие неконтролируемые выбросы биогаза и токсичного фильтрата. Это позволит эффективно использовать отчужденные

под свалки площади. Лучше обстоит дело с грунтами из промытленных отходов, особенно типа отвалов и намывных хво­ стахранилищ ГОК. Общим для всех этих грунтов является недо­

уплотненность, водонасыщенность, способность к большой сжи­

маемости.

Ориентировочно периоды времени, необходимые для естест­

венного уплотнения различных видов антропогенных образований,

представляются следующим образом: l) отвалов шлаков, формо­ вочной земли, отходов обогатительных фабрик, золы в зависимо­ сти от состава- 10-20 лет; 2) свалок отходов различных произ­ водств и бытовых отходов в зависимости от состава- 10-30 лет.

Грунты любых антропогенных образований, особенно крупно­

масштабных, вызывают разнообразные нагрузки на геологиче­

скую среду, во многих случаях существенно изменяют условия ее

«ЖИЗНИ>> и, взаимодействуя с другими геосферами, могут привес­

ти 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 прогнози­ рования инженерно-геологических и гидрогеологических условий

территорий, отводимых для их складирования, изменения во вре­

мени свойств этих грунтов, активизации или возникновения не­

благоприятных 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 гидрогео­ логических условий районов складирования - схемы защиты

окружающей природной среды могут быть весьма разнообразны­ ми. Необходимые объемы защитных мероприятий, диктуемые на­ личием антропогенных образований, и их стоимость во многом

267