Особенности проектирования оснований сооружений, возводимых на техногенных грунтах

Техногенные грунты — естественные грунты и почвы, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности. Техногенные образования — твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности, в результате которой произошли коренные изменения состава, структуры и текстуры природного минерального и органического сырья.

Большая часть искусственных грунтов приурочена к промышленным и городским территориям, образуется в результате военных действий.

Техногенные грунты используются в качестве оснований зданий и сооружений, а также материала для строительства различных инженерных сооружений (земляных плотин, насыпей автомобильных и железных дорог и пр.). Объем техногенных отложений в различных сооружениях измеряется сотнями миллиардов кубических метров: при добыче, переработке и сжигании твердого топлива каждые 5 лет в отвалах размещается около 40 млрд м 3 пустых (для открытых разработок — вскрышных) пород и 2 млрд м 3 золошлаков; из 100 кг извлекаемого сырья в окружающую среду возвращается 99 кг в виде отходов.

Инженерно-геологические свойства техногенных грунтов определяются составом материнской породы или отходов производственной и хозяйственной деятельности и характером воздействия на них человека. В соответствии с общепринятой классификацией грунтов ГОСТ 25 100–95 «Грунты. Классификация» техногенные грунты выделены в отдельный класс.

Классификация техногенных грунтов включает шесть таксономических единиц, выделяемых по следующим группам признаков:

• — класс — (скальные, дисперсные, мерзлые) по характеру структурных связей;
• — группа — (скальные, нескальные, связные, несвязные, ледяные) по характеру структурных связей (с учетом их прочности);
• — подгруппа — (природные образования, измененные в условиях естественного залегания; природные перемещенные образования, измененные физическим, тепловым, физико-химическим воздействием; насыпные, намывные, измененные физическим (тепловым) и т. д. воздействием) — по происхождению и условиям образования;
• — тип — по вещественному составу;
• — вид — по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств);
• — разновидность — по количественным показателям вещественного состава и структуры грунтов.

Данная классификация не лишена недостатков и требует уточнения.

Культурные слои — образования своеобразного состава, обусловленного геологическими условиями местности и включениями, которые определяются характером хозяйственно-культурной деятельности. Они имеют неоднородный состав по площади и по вертикали, в условиях роста масштаба градостроительства, урбанизации широко вовлекаются в строительную практику. Строительство на многометровых культурных слоях требует при инженерно-геологических изысканиях разработки способов и приборов, которые позволят осуществлять строительство на территориях отвалов строительного мусора, бытовых и производственных отходов. На территориях старых кладбищ строительство запрещено; равно как и на скотомогильниках.

Природные перемещенные образования — природные грунты, изъятые из мест их естественного залегания и подвергнутые частично производственной переработке в этом процессе. Формируются из дисперсных связных и несвязных грунтов. Скальные и полускальные грунты сначала подвергаются дроблению и перемещаются уже как дисперсные крупнообломочные грунты. То же относится и к классу мерзлых грунтов. По способам укладки делят на насыпные и намывные.

Насыпные грунты по технологии образования подразделяют на планомерно и непланомерно отсыпанные (строительные и промышленные). К насыпным строительным относятся грунты насыпей автомобильных и железных дорог, плотин и дамб, насыпи под основания зданий и сооружений, грунты обратной засыпки при строительстве подземных линейных сооружений. К промышленным — выработанные породы горно-рудной промышленности, вскрышные породы, породы из горных выработок.

Они формируются из грунтов соседних выемок или за счет материала, доставленного из специально закладываемых котлованов, карьеров и разрезов к месту строительства.

К инженерно-геологическим особенностям грунтов насыпей и отвалов относятся:

• — нарушенность структуры грунта в теле насыпи, обусловливающая снижение прочности (по сравнению с естественным залеганием);
• — фракционирование грунтов и самовыполаживание отвальных откосов;
• — изменение прочности во времени (сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотнением или снижается при увлажнении насыпи);
• — возникновение в водонасыщенных глинистых грунтах насыпи порового давления, являющегося фактором развития оползней различных типов.

В процессе подготовки грунтов к выемке и при выемочно-погрузочных, транспортных и отвальных работах происходит их разрыхление. Коэффициент разрыхления песков (отношение плотности в условиях естественного залегания и в насыпи) составляет 1,1—1,25; у глин он может увеличиваться до 1,6.

В зависимости от литологического состава различают однородные и неоднородные насыпи. Неоднородность насыпи может быть вызвана естественным фракционированием грунтов в процессе их отсыпки. При этом мелкие и крупные фракции концентрируются соответственно в верхней и нижней частях насыпи. Такое сложение насыпи происходит и в случае отсыпки разнородных по составу грунтов, например песков и глин. Песчаная 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 глинистыми водонасыщенными грунтами, следует учитывать незавершенность уплотнения грунтовых масс, оцениваемую по результатам сдвиговых испытаний глинистых грунтов для различных стадий уплотнения.

Влияние фактора времени на состояние грунтов насыпи сказывается в приобретении этими грунтами уплотнения и сцепления упрочнения. Величина «вторичного» сцепления зависит от состава пород, времени существования насыпи и упрочняющей нагрузки.

Время приобретения грунтами естественной плотности.

Намывные грунт — создаются средствами гидромеханизации с помощью системы 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, средненапорных плотин и дамб, дорожных насыпей. При неорганизованном намыве решаются задачи перемещения грунта для освобождения рабочих площадей (вскрышные работы на месторождениях полезных ископаемых и строительных материалов).

Возведение грунтовых сооружений и территорий способами гидромеханизации включает:

• -гидравлическую разработку грунта (землесосными снарядами, гидромониторами);
• — гидротранспорт грунта (по магистральным и распределительным трубопроводам);
• — намыв грунтов в земляные сооружения или намывные территории.

Инженерно-геологические свойства намывных грунтов определяются 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 (способ гидровскрышных работ; способ выпуска гидросмеси на карту намыва; интенсивности намывных работ) и химического состава поровых вод. Свойства зависят от физико-географических факторов — рельефа ложа и климата, инженерно-геологических свойств грунтов основания намывного сооружения — состава, состояния и свойств подстилающих намывные сооружения грунтов.

Состав минеральных и органических компонентов намывных грунтов определяет характер структурных связей и время приобретения ими заданных физико-механических свойств. При намыве гидросмесь (вода—грунт) 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.

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

После образования намывных грунтов — осадкообразования, связанного 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. Повышение плотности достигается за счет гравитационного уплотнения; фильтрационного обжатия грунта в процессе интенсивной водоотдачи; капиллярно-менискового обжатия грунта под влиянием капиллярного давления. В этот период происходит основная часть самоуплотнения намывных грунтов. Для большинства намывных песков длительность стадии не превышает 1 года.

Стадия упрочнения характеризуется продолжением приобретения прочностных свойств намывных грунтов за счет инфильтрационного обжатия песка и статического давления верхних ярусов намыва и кольматации. Между частицами возникают различные виды цементационных связей, приобретается повышенная прочность и динамическая устойчивость. Длительность стадии от 1,5 до 3 лет.

На стадии стабилизационного состояния упрочнение грунтов продолжает формироваться за счет образования водостойких цементационных связей. Процесс носит затухающий характер. В конце стадии намывные пески относятся уже к категории значительно упрочненных и по прочностным данным приближаются к позднечетвертичным аллювиальным пескам. Длительность стадии достигает 10 лет и более.

Техногенные образования — твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности, 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 связано с геологическими и геоморфологическими условиями местности, с историей города или поселка, с характерной промышленной, хозяйственной и культурной деятельностью. Техногенные образования являются специфическими грунтами, изучение которых должно проходить при сочетании инженерно-геологических, историко-археологических, технологических и геоэкологических методов исследований.

Накопление (складирование) образований происходит за счет отвала или намыва различного мусора (образование «культурного слоя»), на специально отведенных площадях под городские свалки твердых бытовых отходов и строительного мусора, на полях фильтрации, в пределах хвостохранилищ крупных промышленных предприятий (металлургических комбинатов, ТЭС и ТЭЦ, горно-обогатительных комбинатов и др.). В связи с этим по способу накопления техногенные образования подразделяют на насыпные, намывные и намороженные (в условиях сурового климата и на территориях распространения многолетне мерзлых пород).

Техногенные образования имеют своеобразный состав, формирующийся в процессе их накопления. Для большинства городских свалок отмечается крайняя неоднородность состава по вертикали и в горизонтальном направлении, большая изменчивость мощности по простиранию (от нескольких сантиметров до 15—20 м). Для насыпных и намывных образований в хвостохранилищах состав отложений может отличаться большой однородностью (шлаки, зола и др.).

Основные инженерно-геологические свойства техногенных образований зависят от их минералогического и гранулометрического состава, глубины залегания (мощности), наличия или отсутствия органических остатков, водонасыщенности, минерализации подземных вод, длительности существования, рельефа и характера естественных подстилающих грунтов. На грунтах бытовых свалок возводить здания и сооружения трудно. В последние годы разрабатываются технологии рекультивации полигонов твердых бытовых отходов, исключающие неконтролируемые выбросы биогаза и токсичного фильтрата. Это позволит эффективно использовать отчужденные под свалки площади. Общим для всех грунтов является недоуплотненность, водонасыщенность, способность к большой сжимаемости.

Ориентировочно периоды времени, необходимые для естественного уплотнения различных видов техногенных образований: 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 техногенных образований, особенно крупномасштабных, вызывают разнообразные нагрузки на геологическую среду, во многих случаях изменяют условия ее «жизни» и, взаимодействуя с другими геосферами, могут привести к нарушению равновесного состояния геологической среды, вызвать нежелательные экологические изменения.

При складировании и строительстве сооружений 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.

Схемы защиты окружающей среды различны и 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 питьевых водозаборов; рыбоводных хозяйств и мест нереста рыбы;
• — на землях, не пригодных для сельского хозяйства, промышленного и гражданского строительства.

Улучшенные 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 грунтов. В этом случае их называют улучшенными грунтами.

Улучшение свойств грунтов производят в условиях природного залегания или после соответствующей переработки и последующей их укладки, например, в основание объекта. Каждый улучшенный грунт имеет наперед заданные свойства и становится вполне пригодным для решения строительных задач. Для промышленно-гражданского строительства улучшенные грунты чаще всего используются в качестве оснований зданий и сооружений. Наиболее широкое применение улучшенные грунты получили при возведении объектов на вечной мерзлоте, просадочных лессовых грунтах.

Основания, сложенные насыпными грунтами, должны проектироваться с учетом их значительной неоднородности по составу, неравномерной сжимаемости, возможности самоуплотнения, особенно при вибрационных воздействиях, изменении гидрогеологических условий, замачивании, а также за счет разложения органических включений.

В насыпных грунтах, состоящих из шлаков и глин, необходимо учитывать возможность их набухания при замачивании водой или химическими отходами производства.

Неравномерность сжимаемости насыпных грунтов должна определяться по результатам полевых и лабораторных исследований, выполняемых с учетом состава и сложения насыпных грунтов, способа отсыпки, выеда материала, составляющего основную часть насыпи. Модуль деформации насыпных грунтов, как правило, должен определяться на основе штамповых испытаний.

Полная деформация основания должна определяться суммированием осадок основания от внешней нагрузки и дополнительных осадок от самоуплотнения насыпных грунтов и разложения органических включений, а также осадок (просадок) подстилающих грунтов от веса насыпи и нагрузок от фундамента.

Предварительные размеры фундаментов сооружений, возводимых на слежавшихся насыпных грунтах, допускается назначать исходя из значений расчетных сопротивлений грунтов основания R0.

При расчетных деформациях основания, сложенного насыпными грунтами, больше предельных или недостаточной несущей способности основания должны предусматриваться следующие мероприятия:

• — поверхностное уплотнение оснований тяжелыми трамбовками, вибрационными машинами, катками;
• — глубинное уплотнение грунтовыми сваями, гидровиброуплотнение;
• — устройство грунтовых подушек (песчаных, щебеночных, гравийных и т. п.);
• — прорезка насыпных грунтов глубокими фундаментами;
• — конструктивные мероприятия.

Основания, сложенные намывными грунтами, должны проектироваться с учетом их неоднородности (многослойности, изменчивости состава и свойств в плане и по глубине), способности изменять физико-механические свойства со временем, в том числе за счет колебаний уровня подземных вод, чувствительности к вибрационным воздействиям, а также возможных осадок подстилающих слоев.

Для намыва, как правило, следует использовать песчаные грунты.

Намыв грунтов на просадочные (в грунтовых условиях I типа), набухающие и засоленные грунты допускается при соответствующем обосновании.

Прочностные и деформационные характеристики намывных грунтов, как правило, должны устанавливаться по результатам полевых и лабораторных исследований грунтов ненарушенного сложения с учетом возраста намывного грунта, т. е. времени, прошедшего после окончания намыва, а также разницы во времени между периодом инженерно-геологических изысканий и началом строительства.

Для предварительных расчетов оснований, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений III класса допускается пользоваться значениями прочностных и деформационных характеристик грунтов, полученными по их физическим характеристикам в зависимости от возраста намывных грунтов.

Расчет оснований, сложенных намывными грунтами, должен производиться в соответствии с требованиями разд. 2.

Если толщина намывных грунтов подстилается биогенными грунтами или илами, в расчетах оснований следует дополнительно учитывать требования разд. 5. В указанном случае применение столбчатых фундаментов не допускается.

Значения прочностных характеристик намывного грунта (II и cII) следует принимать соответствующими началу строительства.

Полная деформация основания, сложенного намывными грунтами, должна определяться суммированием осадок основания от внешней нагрузки, самоуплотнения толщи намывных грунтов и дополнительных осадок за счет незавершившейся консолидации загруженных намывом подстилающих слоев грунта. техногенный армирование грунт При расчетных деформациях основания, сложенного намывными грунтами, больше предельных или недостаточной несущей способности основания должны предусматриваться:

• — уплотнение намывных грунтов (вибрационными машинами и катками, глубинным гидровиброуплотнением, использованием энергии взрыва, трамбованием, избыточным намывом грунта на площади застройки и др.);
• — закрепление или армирование намывного грунта;
• — конструктивные мероприятия.