Грунты в промышленном и гражданском строительстве

Объектом изучения инженерной геологии являются грунты, изучаемые как основания фундаментов различных инженерных сооружений, как среда, в которой строятся каналы, котлованы, тоннели, карьеры, выемки и другие сооружения, и как строительный материал для возведения насыпей, дамб, плотин и других инженерных объектов.

Грунт— горные породы, почвы,техногенныеобразования, представляющие собоймногокомпонентную и многообразную геологическую системуиявляющиесяобъектом инженерно-хозяйственнойдеятельности человека.

Грунты могут служить:

1) материалом оснований зданий и сооружений;

2) средойдля размещения в них сооружений;

3) материалом самого сооружения.

Рисунок 3.1 Использование грунтов: а) как основания, б) как среды для размещения сооружений, в) как материала для сооружений[31, стр. 251]

В основном результаты механики грунтов используются в строительстве:

- в промышленном и гражданском;

- в гидротехническом;

-транспортном (автодорог и железных дорог);

- мостов;

- аэродромов;

-подземном (метрополитен);

- военных объектов и объектов специального назначения;

- сельскохозяйственном;

- линейных объектов (линий электропередач, трубопроводов);

- объектов энергетического хозяйства.

ГЛАВА 4

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МИНСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА НА ПРИМЕРЕ СТАНЦИИ «АЭРОДРОМНАЯ»

Инженерно-геологические условия являются, как известно сложной, многофакторной, изменяющейся во времени системой, современное состояние которой определяется различными геологическими факторами. Изучение этих факторов в условиях Минской возвышенности позволило оценить основные особенности инженерно-геологических условий региона и их пространственную изменчивость.

Станция «Аэродромная» расположена на территории аэропорта Минск-1в его юго-восточной части (рисунок 2.1).

Прежде всего, нужно отметить, что естественный рельеф большей частью изменен при застройке территории, прокладке сетей и коммуникаций. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 215 до 220 м.Условия поверхностного стока удовлетворительные. На большей части исследуемой поверхностный сток организован системой ливневой канализации. Активные физико-геологические процессы не наблюдаются.

Анализ результатов исследований свидетельствует, что основными, инженерно-геологическими особенностями территории юго-восточной части минской возвышенности являются:

инженерно-геологические условия проектируемых участков трассы и сооружений характеризуются распространением насыпных грунтов, лессовидных, озерно-аллювиального элювиально-делювиальных, флювиогляциальных и моренных отложений (рисунок 4.1).

Насыпные грунты - отвалы глинистых (ИГЭ-1) и песчаных (ИГЭ-2) грунтов.

Лессовидные отложения - суглинки слабые (ИГЭ-8), супеси средней прочности и (ИГЭ-7) суглинки средней прочности (ИГЭ-9) и прочные (ИГЭ-10) развиты почти повсеместно. Мощность достигает 7,0 м.

Озерно-аллювиально-болотные отложения - суглинки (ИГЭ-11а, 11, 12), торф(ИГЭ-6, 6а) вскрыты в р-не ПК42 в пределах древней ложбины стока, не выраженной в рельефе, мощность отложений 6,3-8.9 м.

Элювиально-делювиальные отложения – супеси средней прочности и прочные (ИГЭ-14) залегают локально в форме маломощных (0,3-1,3 м) линз и прослоев.

Флювиогляциальные отложения – отдельные линзы и прослои песков различной крупности преимущественно маловлажных (ИГЭ-16, 17, 19-21, 25), преобладают пески средние прочные (ИГЭ-21).

Моренные отложения – супеси, реже суглинки (ИГЭ-26а, 26-29) с гравием, галькой, с отдельными валунами, линзы, «карманы» и прослои песков пылеватых, реже средних маловлажных, редко водонасыщенных[21, стр. 22].

Песок пылеватый глинистый прочный ИГЭ-29а вскрыт в толще супесей линзами и «карманами» мощностью от 0,7-2,5 м до 5,8-16,1 м на различных глубинах от 5,4 до 19,6 м.

Гидрогеологические условия характеризуются наличием вод спорадического распространения в глинистых грунтах различного генезиса, грунтовых вод моренных отложений.

Воды спорадического распространения в лессовидных отложениях (скв. 1037) встречены на глубине 1,3 м (абс. отм. 208,18 м), в озерно-болотных отложениях муравинского межледниковья вскрыты по трассе тоннеля в р-не ПК 42 на глубине 6,5-10,5 м. Абсолютные отметки установления уровней 207,69-209,41 м, обладают местным напором – 1,65-2,5 м.

Приурочены к тонким прослойкам песков (1-3 мм и более) в глинистых и биогенных грунтах.

Воды спорадического распространения неагрессивны к бетону, слабоагрессивны к арматуре железобетонных конструкций при периодическом смачивании.

Необходимо отметить, что при бурении в лессовидных и озерно-болотных супесях и суглинках на различных глубинах отмечены тонкие прослойки (1-3 мм) сильновлажного песка.

При отрывке котлованов и проходке тоннелей большого сечения в подобных грунтах возможно высачивание значительно объема воды с частичным оплыванием (обрушением) бортов котлованов.

Воды спорадического распространения могут формироваться в песчаных прослойках, линзах и прослоях практически повсеместно, как в плане, так и в разрезе за счет, инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод, утечек из водонесущих коммуникаций в насыпных, лессовидных, озерно-болотных и моренных глинистых грунтах.

Потенциально возможно формирование верховодки на участках скв. 596, 604, 1026, 1034, 1055, 1060, 1063, 1064.

Грунтовые воды моренных отложенийвскрыты на глубине 20,2-21,2 м в песках пылеватых глинистых, значительно ниже лотка тоннеля. Уровни устанавливаются на абс. отм. 194,91-195,25 м.

Прогнозировать амплитуду колебания уровней в условиях большого города без данных режимных наблюдений крайне сложно, поэтому рекомендуемый оценочный прогноз подъема уровня можно ожидать на 0,9-1,1 м выше отметок, зафиксированных в период изысканий[21, стр. 23].

По результатам химического анализа водной вытяжки и по содержанию сульфатов для бетона на портландцементе выделяются следующие особенности:

- насыпные грунты глинистые и песчаные (ИГЭ-1, 2), супеси и суглинки (ИГЭ-11а, 11, 12, 14, 26а, 26-29) слабоагрессивны к бетону марок W4. W6, W8 и неагрессивны к бетону марок W10, W12;

- лессовидные супеси и суглинки (ИГЭ-7-10) слабоагрессивны к бетону марок W4, W6 и неагрессивны к бетону марок W8, W12;

- биогенные грунты (ИГЭ-13) умеренно агрессивны к бетону марки W4 и слабоагрессивны к бетону марок W6, W8, W12;

- песчаные грунты (ИГЭ- 6, 6а, 16-17, 19-21, 25, 29а) слабоагрессивны к бетону марки W4 и неагрессивны к бетону марок W6, W8, W12.

Для бетона на других цементах все грунты по содержанию сульфатов и по содержанию хлоридов для арматуры железобетонных конструкций на портландцементе и шлакопортландцементе неагрессивны[21, стр. 23].

Тоннели метро и станционные сооружения располагаются практически повсеместно выше уровня грунтовых вод, лишь в р-не ПК 42 в озерно-болотных отложениях встречены воды спорадического распространения в прослойках песка в глинистых и биогенных грунтах.

Основанием тоннелей и средой сооружений метрополитена будут служить преимущественно моренные супеси прочные и очень прочные (ИГЭ-27-29). реже флювиогляциальные. озерно-аллювиальные и моренные песчаные грунты средней прочности (ИГЭ-6) и прочные (ИГЭ-6а, 21, 29а), единичные линзы супесей моренных средней прочности (ИГЭ-26).

На участке ПК 42 (скв. 1063) в основании тоннелей вскрыты биогенные грунты - торф (ИГЭ-13) и озерно-болотные суглинки с примесью органического вещества (ИГЭ-12). Их мощность в основании на данном участке достигает 3-х метров. Абс. отм. подошвы 201,65 м.

На участках малозаглубленных фундаментов (входов) в р-не ПК 42 с поверхности линзой (скв. 1031) мощностью 1,9 м (абс. отм. подошвы 219,04 м) встречены насыпные глинистые грунты (ИГЭ-1), лессовидные суглинки прочные (ИГЭ-10), подошва которых залегает на абс. отм. 216.28-216.99 м (мощность грунтов ИГЭ-10 - 3,7-4,0 м), под ними –единичные линзы (скв 1029, мощность 1,0 м) супесей элювиально-делювиальных (ИГЭ-14) и песковфлювиогляциальных прочных ИГЭ-21 (точки 1029, 1030, мощность 2,0-2,9 м). Ниже, с глубины 1,9-8,1 м вскрыты моренные супеси преимущественно очень прочные (ИГЭ-29), с отдельными линзами супесей средней прочности (ИГЭ-26). прочных (ИГЭ-27) и линзой мощностью 0,6 м песков средних прочных (ИГЭ-21). С глубины 10,3-12,1 м (абс. отм. кровли 208,38-210,39 м) залегают супеси очень прочные (ИГЭ-28) с пониженной степенью влажности (Sr≤0,7), при водонасыщении до Sr = 0,8-1,0 несколько ухудшают свои прочностные и деформационные свойства.

На участке входов в р-не ПК 44 с поверхности слоем мощностью 0,8-2,6 м (абс. отм. подошвы 216,32-217,93 м) залегают насыпные глинистые грунты (ИГЭ-1), подстилаемые повсеместно лессовидными непросадочными супесями и суглинками средней прочности и прочными (ИГЭ-9, 10). Абсолютные отметки подошвы лессовидных глинистых грунтов на данном участке входов 213,53-215,14 м.

Под лессовидными отложениями маломощными (0,4-1,3 м) прослоями и линзами вскрыты элювиально-делювиальные супеси средней прочности и прочные (ИГЭ-14) и флювиогляциальные (точки 1050, 1051) средние средней прочности (ИГЭ-20) и прочные (ИГЭ-21). Ниже, с глубины (абс. отм. кровли 212,88-214,35 м) повсеместно вскрыты моренные супеси, преимущественно в очень прочные (ИГЭ-27, 29) с линзами и прослоями мощностью 0,3-1,1 м супесей средней прочности (ИГЭ-26). В скв. 1045 на глубине 7,7 м вскрыта единичная линза мощностью 0,5 м (абс. отм. 210,53 м) супеси слабой (ИГЭ-26а).

Следует отметить, что при отрывке котлованов и проходке тоннелей в моренных супесях могут быть встречены отдельные валуны, размерами в поперечнике до 0,5-0,7 м и более, скопления валунов прослеживаются на контакте глинистых и песчаных грунтов.

При проектировании следует учитывать:

- наличие в зоне заложения тоннелей вод спорадического распространения в озерно-болотных отложениях (ПК 42);

- возможность более широкого формирования вод спорадического распространения в линзах и прослойках в глинистых грунтах различного генезиса и появления верховодки в песках;

- наличие в разрезе на участке входов (ПК 44) единичной линзы супесей слабых ИГЭ-26а;

- наличие в разрезе на участке тоннеля линз и прослоев суглинков слабых ИГЭ-8;

- залегание в р-не ПК 42 биогенных грунтов ИГЭ-12, 13, характеризующихся повышенной сжимаемостью;

- наличие в разрезе лессовидных (ИГЭ-7) и моренных супесей (ИГЭ-28) со степенью влажности (Sr≤0,7), которые при водонасыщении снижают свои прочностные и деформационные свойства;

- способность глинистых грунтов ИГЭ-1, 7-11, 11а к тиксотропному разупрочнению при динамическом воздействии (переходу в текучепластичное и текучее состояние) с ухудшением прочностно-деформационных свойств, легкому размоканию, размываемости, пучинистости при промерзании;

- неоднородность грунтов по степени агрессивности к бетону и арматуре железобетонных конструкций.

При строительстве должны применяться методы работ, не приводящие к ухудшение качества грунтов основания неорганизованным водоотливом, замачиванием, размывом поверхностными водами и промерзанием, повреждением механизмами и транспортом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Территория г. Минска характеризуется интересным геологическим строением. В тектоническом отношении территория приурочена к Вилейскому погребенному выступу и Воложинскому грабену Белорусской антеклизы. Кристаллический фундамент перекрыт осадочными толщами верхнего протерозоя, палеозоя и кайнозоя. Осадочный чехол представлен девонскими, меловыми и четвертичными отложениями.

В целом территория г. Минска имеет сложное строение для строительства. Вскрываются отложения четвертичной системы и занимают значительный объем осадочной толщи, которые формирует основные особенности современного рельефа.Мощность четвертичных отложений изменяется от 134,1 до 231,2 м. Сложена четвертичная толща отложениями всех ледниковых и межледниковых периодов, кроме поозерскогооледениня (последние представлены перигляциальными отложениями). Среди отложений голоценового возраста преобладают аллювиальные, озерные и болотные, пролювиальные, делювиальные, коллювиальные и техногенные отложения.

В ходе проходок тоннелей определены важнейшие технические условия проектирования линии метрополитена. Инженерно-геологические изыскания были проведены для получения полной информации о геологическом строении исследуемой территории, физико-механических свойствах грунтов, гидрогеологических условиях подземных вод, их состав и агрессивность. Также были лабораторные испытания на возможность их изменений в процессе возведения и эксплуатации проектируемого объекта.

На основании полученных данных были выбраны лучшие, наиболее оптимальные со всех точек зрения место, условия и глубина заложения тоннелей с учетом всех вероятных факторов, влияющих на процесс строительства и эксплуатации. Были учтены состав грунтов, слагающих территорию изысканий, а также осложняющие факторы при прокладке тоннелей, такие как пучинистость грунта, неоднородность по составу и плотности, и другие. Учитывалось также то, что при создании проекта и строительства могут возникнуть неравномерные просадки, повреждения и разрушения инженерных сетей, необратимые деформации. Для предотвращения таких последствий обеспечены мероприятия по защите конструкций от неблагоприятных воздействий геологической среды.

В период прохождения производственной и преддипломной практик собирались материалы, характеризующие данные по геологическому строению, гидрологическим условиям местности, экзогенным геологическим процессам, протекающим на участках исследований. Велся учет физико-механических свойств грунтов, химико-коррозийных свойств воды. Были даны рекомендации по проектированию и строительству метрополитена на территории исследований. На основании полученных данных построены инженерно-геологические разрезы в специальной программе, таблицы физико-химических свойств грунтов. В результате инженерно-геологических исследований выявились следующие неблагоприятные факторы, влияющие на глубину прокладки:

· насыпной грунт не рекомендуется использовать в качестве естественного основания без изучения по специальной программе, без преобразования строительных свойств грунта, снижающих нагрузку и предотвращающих неравномерные осадки;

· наличие в зоне заложения тоннелей вод спорадического распространения в озерно-болотных отложениях, также существует возможность более широкого формирования вод спорадического распространения в линзах и прослойках в глинистых грунтах различного генезиса и появления верховодки в песках;

· на участках с высоким положением установившегося и прогнозируемого уровня грунтовых вод, рекомендуется предусмотреть водоотливы из траншей, а сами строительные работы производить в сухой период года;

· наличие в разрезе на участке тоннеля линз и прослоев суглинков слабых и биогенных грунтов, характеризующихся повышенной сжимаемостью;

· наличие в разрезе лессовидных и моренных супесей, которые при водонасыщении снижают свои прочностные и деформационные свойства;

· способность глинистых грунтов к тиксотропному разупрочнению при динамическом воздействии (переходу в текучепластичное и текучее состояние) с ухудшением прочностно-деформационных свойств, легкому размоканию, размываемости, пучинистости при промерзании;

· неоднородность грунтов по степени агрессивности к бетону и арматуре железобетонных конструкций.

Тоннели метро и станционные сооружения располагаются практически повсеместно выше уровня грунтовых вод, кроме одного участка, где в озерно-болотных отложениях встречены воды спорадического распространения в прослойках песка в глинистых и биогенных грунтах.

Основанием тоннелей и средой сооружений метрополитена будут служить преимущественно моренные супеси прочные и очень прочные, реже флювиогляциальные, озерно-аллювиальные и моренные песчаные грунты средней прочности и прочные.При строительстве должны применяться методы работ, не приводящие к ухудшению свойств грунтов,основания замачиванием, размывом поверхностными водами, промерзанием, повреждениями механизмами и транспортом.