Инженерно-геологическая оценка грунтов мелового периода центра Русской равнины

Ключевые слова: инженерно-геологическая оценка, коренные глины, маастрихт, морские глины, показатели инженерно-геологических свойств Современное фундаментостроение охватывает все более глубокие горизонты земной коры. Для территории центра Русской платформы, Поволжья основаниями нередко служат морские глины маастрихтского яруса верхнего отдела мелового периода [1]. Они вскрываются инженерно-геологическими и опорными скважинами на абсолютных отметках 225ч110 м, причем около половины проанализированных выработок вскрыли глины на глубинах от 0 до 5 м, одна треть скважин до 20 м, остальные выработки — на глубинах 20ч30 м [2].

На территории Пензенского региона, в бассейне реки Суры широко развиты верхнемеловые отложения сенона [3]. Сенон в регионе представлен представлен двумя комплексами пород: на востоке — мел, мергели, мергелистые глины, суглинки; на западе — пески, песчаники, опоки и глины, комплексы разделены полосой Сурско-Мокшинских поднятий.

Глины морские по окраске от темно-серых до черных, с зеленоватым оттенком (присутствует минерал глауконит), очень жирные, высокодисперсные слюдистые (влагоемкие), известковые (в практике — «мергелистые глины»), слоистые. Поверхность кровли глин волнистая, размытая. Элювиальная зона, мощностью от 0 до 5 м, представлена комковатыми глинами осветленными, с пятнами ожелезнения.

Морские коренные глины перекрыты четвертичными образованиями различного генезиса (аллювий, делювий, моренные, флювиогляциальные, четвертичные и палеогеновые опоки, песчаники, пески). Граница отбивается визуально, подтверждается данными статического и динамического зондирования, уточняется по величине показателей инженерно-геологических свойств [4, 5].

Обработка результатов испытаний в лаборатории проводилась методами математической статистики [6]).

Статистические расчёты, результаты которых представлены в табл. 1, подтверждают правильность визуального расчленения толщ глин маастрихта на три зоны. В интервале а. о. 225ч140 м все физические показатели инженерно-геологических свойств характеризуют коренные глины как очень жирные, пластичные, пористые. В средней зоне с а.о. 140ч110 м, как и в нижней, глины менее пластичные, грубые, опесчаненные. Высотная граница 130ч140 м совпадает с глубиной вреза долины реки Суры. Ниже дна реки, под аллювием, глины опесчаненные, встречаются иногда и тяжелые суглинки с числом пластичности Ip= 15ч17. На склонах долин и водоразделов наблюдается рост числа пластичности до максимальных значений Ip = 40ч50 на наиболее высоких отметках. Анализируя табл.1, хорошо заметна закономерность изменений по высотным абсолютным отметкам, где: n — количество определений; max, min — пределы значений показателей; Хсреднее арифметическое значение; ±S — среднеквадратические отклонения величин характеристик. Сведения для анализа глин по лабораторным исследованиям взяты из фондов Пензенского ТИСИЗа (работы за период 1980ч1990 г. г.), по 60 отчётам под строительные площадки [2].

Анализ графиков рассеяния частных значений показателей инженерно-геологических свойств для всей толщи морских глин (более 400 определений) позволил, на основании сгущения точек, выделить три зоны, характеризующиеся заметными изменениями средних значений по высотным уровням 225ч140; 140ч130; 130ч110 м.

Плотность частиц грунта, свидетельствующая в основном о вещественном составе, отличается, значительным размахом колебаний значений 2,40ч2,72 г/см3 c одной стороны, и постоянством средних значений, 2,57ч2,58 г/см3 c другой. Подтверждается единство условий образования глинистой фации маастрихта, с местными скачкообразными изменениями, определивших постоянство их механических свойств [1, 7].

Естественная или природная влажность глин по толще высокая от 0,23 до 0,55, с незначительным уменьшением по высотным отметкам: зона а.о. 225ч140 м влажность в среднем — 0,42, в зоне с а.о. 140ч130 м до 0,36 и в зоне с а.о.130ч110 м — 0,32, причём наиболее постоянные, по площади колебания значений от 0,39 до 0,23. При постоянно высоком водонасыщении всей толщи глин, и при одинаковой степени влажности 0,90ч0,98, эта закономерность объясняется разной пористостью глин по зонам с глубиной.

Число пластичности характерно снижается по слoям сверху вниз 0,38ч0,33 для верхних и 0,27 для нижних слоев. Также изменяется и влажность на границе текучести, от 0,72 в верхней части толщи до 0,61ч0,52 в нижней. Разброс значений 0,35ч0,93 свойственен для набухающих мoнтмориллонитовых глин с пределом текучести равным 1,00 [8]. Вероятно, именно глины маастрихта дали начало покровным лёссовидным суглинкам и глинам, которые богаты монтмориллонитом и развиты по склонам водоразделов.

Наиболее показательной для оценки механических свойств глинистых грунтов является их консистенция. Для морских глин Пензенской области показатель текучести (консистенция) изменяется в пределах 0,05ч0,50, при средних значениях по зонам 0,15ч0,20, т. е. грунты находятся чаще в полутвёрдом состоянии. Однако известно [3], что характерные влажности не дают истинного представления о поведении грунта под нагрузкой. Грунт может иметь различные показатели текучести при разном напряженном состоянии. Истинное поведение грунтов под сооружениями возможно определить только по непосредственным полевым испытаниям in site.

Увеличение предела текучести особенно значительно в массиве (сверху вниз) для верхней зоны при испытаниях in site, что говорит об увеличении дисперсности глин в высоких горизонтах. С глубиной возрастает размах колебаний значений предела текучести.

Наиболее четко с глубиной уменьшается естественная влажность, а коэффициент пористости и плотность увеличиваются. Дисперсность больше для зон высокого положения, ниже вреза долин рек, а.о.140ч130 м, глины опесчанены.

Коэффициент пористости с глубиной изменяется от 1,37 до 1,04, при повышении природного давления соответственно от 0,05 МПа на глубине 3 м до 0,25 МПа в зоне 13−14 м.

Приведенная пористость, т. е. коэффициент пористости глин в зоне 225ч140 м характеризуется значением 1,15, в средней зоне — 1,01, в нижней — 0,87. Как видно, глины высокопористые, прослеживается равномерное снижения коэффициента пористости по мере уменьшения высотного залегания слоев. Снижение значений пористости отражается в увеличении плотности к низам толщи, от 1,75 до 1,83 г/см3. При влажности на границе текучести характерно также увеличение коэффициента пористости от 0,86 в низах толщи до 2,31 в верхней зоне, наибольшее возрастание значений отмечено в интервале а.о.140ч150 м, ниже и выше этого высотного уровня различий практически не наблюдается.

Таблица 1. Физико-механические показатели коренных глин верхнего мела центра Русской равнины.

Мергелистые глины верхнего мела нередко могут находиться в пластичном состоянии, в воде в течение нескольких суток размокают полностью, особенно при попеременном замачивании и высушивании. При выветривании на откосах образуют осыпи из мелкого щебня, дресвы, оползающие при увлажнении около с. Курилoвкa в Пензенском регионе. Проявления глинистости более заметны, если карбонатный материал имеет коллоидную природу, а не играет роль природного цемента. Глины известковистые содержат 15ч35%, а мергели глинистые 36ч55% карбонатного вещества. Поэтому при оценке глин как оснований сооружений главное — определить прочностные и деформативные характеристики в условиях водонасыщения.

Модуль общей деформации один для всей толщи, 25 МПа. Удельное сцепление изменяется в зависимости от пористости в интервале от 0,051 до 0,056. Прочие связи между показателями выражены слабо. Испытание глин на сдвиг, проведенное по схемам (в естественном состоянии, по подготовленной плоскости среза, с промачиванием, по подготовленной плоскости с промачиванием) выявило значительную структурную прочность морских глин, составляющую более 40% от величины удельного сцепления и равную 0,022 МПа.

Прочностные показатели мергелистых глин при испытаниях в сдвиговых приборах образцов ненарушенной структуры составляют: сцепление 0,058 МПа, угол внутреннего трения 29о. Угол внутреннего трения, при значительных отклонениях частных значений, постоянен — 23°.

Выветрелая зона мергелистых глин, чаще служащая несущим слоем для фундаментов, по величине значений показателей свойств сравнительно мало отличается от коренных глин (см. табл.1), несколько ниже прочностные характеристики.

Высокая структурная прочность коренных глин и элювия, как следствие их природы, определяет характер взаимодействия со сваями, режим забивки и результаты статистических испытаний свай.

В процессе забивки свай граница элювиальной зоны глин, независимо от глубины, выявляется по увеличению числа ударов, при уменьшении отказов свай: в аллювии — 25 ударов, отказы 4,0ч6,0 см; в элювии 34 удара, отказы 2,5ч3,0 см. при заглублении острия сваи на 1ч2 м в выветрелые глины отказ уменьшается до 0,5 м, при числе ударов 10ч15. При этом, как правило, забивка заканчивается, т.к. достигается необходимая несущая способность свай, в 100ч250 кН. При опирании острия свай на элювий или коренные глины остриё принимает на себя 30% и более несущей способности свай [9].

Статические испытания свай показывают в среднем осадку до 3ч4 мм, при удельном давлении 400ч500 кН. Анализ хода статических испытаний свай и результатов зондирования для разных площадок показал расхождения в несущей способности не более 12ч15%. Следовательно, возможен прогноз несущей способности свай по экспресс — испытаниям [10].

Экономия при использовании для глин маастрихта средних значений и отказ от дополнительных исследований грунтов оснований, может составить до 15% от общих затрат на инженерно-геологические изыскания.

Библиографический список Горынин А. С., Кошкина Н. В., Хрянина О. В. Геология и инженерно-геологические условия строительства на коренных глинах Поволжья // Вестник магистратуры. Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2014. № 11(38). Том 1. С.42−45. ISSN 2223−4047. грунт равнина меловой глина Клинкова А. П. Устойчивость склонов Западнополянской возвышенности: отчет Пензенского треста инженерно-строительных изысканий. Пенза, 1973.

Архангельский А. Д. Верхнемеловые отложения Востока Европейской России. М., 1912.

Болдырев Г. Г., Хрянина О. В. Методы полевых испытаний грунтов. Часть V. Испытания плоским зондом // Инженерные изыскания. 2011. № 7. С. 32?40.

Болдырев Г. Г., Хрянина О. В. Методы полевых испытаний грунтов. Часть VI. Испытания прессиометром // Инженерные изыскания. 2012. № 3. С. 26−36.

ГОСТ 20 522–96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. М., 1997.

Хрянина О. В. Природа физико-механических свойств глинистых грунтов территории застройки г. Пензы // Геотехника-99: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во ПДЗ, 1999. С. 144?147.

Дашко Р.Э., Каган А. А., Щукин Т. М. Об оценке консистенции глинистых грунтов. Изв. Вузов. Геология и разведка. Т. 4. 1972.

Хрянина О. В. Зависимость несущей способности свай от генезиса глинистых грунтов // Fundamentalandappliedscience: materialsofthe X Internationalscient. andpract. conference. Sheffield: Scienceand education LTD, 2014. Vol. 17. 112 с. ISBN 978−966−8736−05−6.

Горынин А.С., Кошкина Н. В., Хрянина О. В. Значение инженерно-геологических изысканий в процессе проектирования на современном этапе // Вестник магистратуры. Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2014. № 11(38). Том 1. С.45−49. ISSN 2223−4047.