Структурная неустойчивость морских песков: На примере форштадтской толщи г. Ставрополья

Актуальность темы

Пески и песчаники составляют примерно пятую часть объема осадочной оболочки Земли / 130, с. 5 /, что превышает объем глин (11%) примерно в два раза / 146, с.59−65 /.

Известный американский литолог Ф.Дж.Петтиджон / 109, с. 248 / считал, что «песчаные осадки лучше других отложений способствуют пониманию геологической истории». С этим утверждением согласен А. Б. Ронов: «Пески, более чем любой другой тип осадочных пород, сохраняют в своем минеральном составе признаки исходных материнских пород. Именно на этом основана реконструкция петрографического состава питающих провинций, т. е. древней суши и областей сноса"/ 130, с. 5 /.

В строительной практике песчаные грунты часто используются в качестве естественных или искусственных оснований инженерных сооружений, местных строительных материалов для возведения насыпей, дамб, создания намывных оснований, а также как сырье для различных отраслей строительного производства.

Инженеры-геологи, изучавшие пески, подчеркивают их сложность как природных геологических образований.

И.М.Горькова / 46, с. 140 / при построении комплексной классификации фунтов отнесла пески к наименее изученным породам, требующим «дальнейшего накопления фактического материала».

И.В.Дудлер / 69, с. 22 / дает следующую методологическую установку для изучения песков: «Надо преодолеть известную инерцию во взглядах на пески как на некоторый идеализированный материал, все свойства которого зависят в основном только от его крупности и плотности сложениянадо преодолеть барьер недоверия к необходимости и возможности учета генезиса песков при изучении их в качестве грунтовнадо, наконец, преодолеть традиционное представление о том, что все особенности песчаных грунтов и закономерности формирования их свойств известны. Что все они полностью могут быть охарактеризованы используемыми показателями» .

В.И.Осипов / 97, с. 18 /, изучивший микроструктуру и свойства песчаных отложений, также считает, что «единственно правильным путем является генетический подход к изучению песков».

Основоположник современной механики грунтов К. Терцаги / 191, с. 14 / еще в 1920 году предостерегал от упрощенного взгляда на песок, как на однородный и неопасный грунт: «Принципиальная ошибка была внесена Кулоном, который сознательно игнорировал тот факт, что песок состоит из индивидуальных зерен, и который рассматривал песок, как если бы он представлял однородную массу с определенными механическими свойствами. Идея Кулона оказалась полезной как рабочая гипотеза, но в дальнейшем она стала помехой прогресса, как только ее гипотетический характер был забыт последователями Кулона. Единственный выход заключается в том, чтобы отбросить старые фундаментальные принципы и начать снова с элементарного факта о том, что песок состоит из индивидуальных зерен».

В условиях Северного Кавказа пескам как природным и техногенным образованиям уделено незаслуженно мало внимания по сравнению с просадочными лессами и набухающими глинами.

На территории г. Ставрополя таким слабо изученным типом отложений оказалась мощная (до 32−35 м) толща рыхлых пылеватых морских песков т.н. фор-штадтского яруса сармата. Эти пески занимают около 50% площади города. В виде сплошного покрова они распространены в центральной, юго-западной и северо-западной его частях. На этих песках ведется массовое строительство 5−16-этажных жилых домов, в которых проживает половина населения краевого центра, построены крупнейшие заводы государственного значения — Люминофоров и особо чистых веществ, Автоприцепов КАМАЗ, «Анилин», «Нептун». «Аналог», а также молочный, кирпичный и другие заводы, возведены корпуса СевероКавказского государственного технического университета, сельскохозяйственной и медицинской академий, краевого Онкологического центра и др.

Десятки зданий, построенных на форштадтских песках, имеют трещины, ширина которых в некоторых зданиях (детская больница, общежитие строителей) достигает 80−100 мм, многие жилые дома и общественные здания стянуты металлическим тяжами (школа-лицей № 14, детская больница, общежитие строителей, жилой дом по ул. Ленина, 22 и др.).

Несмотря на массовый характер деформаций зданий, построенных на форштадтских песках, местные изыскатели, проектировщики, строители и краевая экспертиза считают их вполне надежными грунтами и не проектируют каких-либо противодеформационных мероприятий, а многочисленные деформации зданий объясняют низким качеством строительных работ. Изыскатели при стандартных испытаниях форшгадтских песков не обнаруживают у них каких-либо аномальных свойств. Фактически этот опасный вид грунта в инженерно-геологическом отношении остается неизученным.

Суффозионное разуплотнение четвертичных континентальных засоленных песков изучали Jennings J.E. and Knight К. / 189 /, А. Я. Рубинштейн и О. В. Сугакевич / 127 /, В. В. Михеев и В. П. Петрухин /93/, В. П. Петрухин /107- 108 / и О. М. Преснов / 120 /, О. А. Сильченко / 136 /, А. А. Мустафаев / 95 / и др. Структурная неустойчивость и недоуплотненность дочетвертичных морских песков выглядит парадоксальным явлением.

Морские миоценовые пески Ставрополя, обнаружившие структурную неустойчивость и недоуплотненность, не являются в настоящее время засоленными грунтами. На протяжении своей длительной (дочетвертичной и четвертичной) геологической истории толща форштадтских песков не раз испытала избыточное увлажнение атмосферными осадками и в настоящее время, являясь основной областью питания и основным водоносным горизонтом города, находится в условиях интенсивного промывного режима.

Для ставропольских изыскателей, проектировщиков и строителей форштадт-ская толща песков является проблемным грунтом. В обводненных форштадтских песках изыскатели не могут отобрать ненарушенные монолиты, а строители не в состоянии отрыть котлованы до проектных отметок.

СП 11−105−97, часть 1, Приложение И / 147 / запрещает для карбонатных и дочетвертичных песков применять статическое зондирование с целью оценки их свойств и для определения несущей способности свайных фундаментов.

СНиП 2.02.03−85 «Свайные фундаменты», п. 11.10 / 139 / запрещает в сейсмических районах «опирание нижних концов свай на рыхлые водонасыщенные пески».

СНиП II-7−81* «Строительство в сейсмических районах», табл. 1 / 137 / относит рыхлые пески независимо от влажности и крупности и водонасыщенные пы-леватые пески независимо от плотности к Ш-ей категории грунта по сейсмическим свойствам и требует повышать расчетную сейсмичность площадки строительства на 1 балл.

Специфические свойства форштадтского песка создали в Ставрополе еще одну проблему. На центральных улицах города (ул.М.Морозова, Л. Толстого и др.) часто наблюдаются провалы дорожного покрытия, которые надолго нарушают движение городского транспорта. Этот «песчаный карст» вызывает недоумение и страх у коммунальной и дорожной служб краевого центра. В провалы-пустоты после дождей устремляются ливневые воды, которые угрожают не только коммуникациям города, но и построенным зданиям.

В результате кратковременной аварийной утечки воды из подземного водопровода весной 1995 года под новым 10-этажным крупнопанельным 180-квартирным домом по ул. Буйнакского, 6 образовались большие промоины, приведшие к просадке полов в подвале на 50−70 см. Только своевременное отключение водопровода (через два часа после начала аварии) спасло этот дом от аварийных деформаций.

Обводненный форштадтский песок является исключительно сейсмоопасным фунтом, что пока не учитывается в практике проектирования и строительства. Его отрицательные свойства начинают проявляться при малейшем разрушении структурных связей и, соответственно, могут проявиться даже при низкобалльных землетрясениях. Землетрясение с расчетной максимальной силой в 8 баллов приведет к катастрофическим для города последствиям.

При выполнении дипломной работы в Ростовском госуниверситете в 1996 году автор впервые составил каталог деформированных зданий и обратил внимание на массовый характер деформаций зданий и сооружений, построенных на форштадтских песках в г. Ставрополе.

Автору пришлось лично руководить работами по укреплению оснований аварийно-деформированных зданий (5-этажного дома по ул. Мира, 463 и здания Краевой школы для одаренных детей), а также по уплотнению плывунных песков лабораторно-административного корпуса Ставропольской сельхозакадемии. Проекты укрепления оснований этих зданий были разработаны при участии автора в Северо-Кавказском филиале ПНИИИС Госстроя СССР (ныне Северо-Кавказский инженерно-геологический центр).

Укрепление пылеватых плывунных песков в центре Ставрополя позволило Гипровузу (г. Москва) запроектировать и возвести вместо ранее запроектированного двухэтажного здания шестиэтажный лабораторный корпус Сельхозакадемии (см. главу 4).

Одновременно с изучением аномальных свойств форштадтских песков автор занимался опробованием новых методов укрепления просадочных и слабых грунтов. При участии автора были разработаны и утверждены «Рекомендации по проектированию и устройству буронабивных грунтовых свай, изготовленных шнеко-вым способом в просадочных и слабых грунтах» / 19 /, а также «Пособие по уплотнению просадочных лессовых грунтов глубинными взрывами в условиях Северного Кавказа» /36- 37 /.

Цель и задачи работы. Общетеоретической целью данного исследования является выяснение природы формирования структурной неустойчивости и недоуп-лотненности пылеватых морских песков на примере форштадтской толщи г. Ставрополя.

Методологической основой для подобных исследований служит естественнонаучный принцип генетического грунтоведения, который заключается в том, что: «состав, структура, текстура, а отсюда и свойства пород формируются в процессе их генезиса и изменяются под влиянием постгенетических процессов: диагенеза, эпигенеза и гипергенеза» / 135, с. 11 /.

По В. И. Осипову / 97, с. 18 /: «Большинство факторов, обуславливающих прочностное и деформационное поведение песков, связано с их генезисом. Без этого нельзя прогнозировать поведение песка, целенаправленно регулировать его свойства, составлять научно обоснованные нормативные документы. Любые эмпирические зависимости, на каком бы большом материале они ни строились, не могут служить надежной основой для описания закономерностей песчаных масс, если не объяснена их природа. Поэтому изучение природы свойств было и остается одной из важнейших теоретических проблем изучения песков в инженерно-геологических целях» .

Общетеоретическая цель и практические проблемы строительства на морских песках г. Ставрополя определили необходимость решения следующих основных задач:

1. Изучение геологической истории формирования и современного состояния песчаной толщи г. Ставрополя.

2. Комплексная характеристика состава, структуры и свойств песков как специфических природных образований.

3. Выяснение природы и механизма доуплотнения песчаной толщи при техногенном воздействии в городских условиях.

4. Разработка рекомендаций по инженерно-геологической оценке свойств структурно-неустойчивых песков с учетом особенностей их состава и структуры.

5. Составить каталог деформированных зданий, выяснить причины и дать прогноз их деформаций, предложить обоснованные методы инженерной подготовки оснований на песках г. Ставрополя.

Фактический материал, положенный в основу исследований, был собран автором в период работы 1993;2003 гг. в Северо-Кавказском инженерно-геологическом центре Госстроя РФ, где автор работал в должности инженера и руководителя группы, а также в Ставропольгражданпроекте, СтавропольТИСИЗе, Ставропольагропромпроекте и других проектно-изыскательских организациях Ставропольского края. Были использованы также опубликованные материалы по вопросам инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии г. Ставрополя и прилегающих районов.

Отбор монолитов и проб песка автор производил из обнажений, песчаных карьеров, скважин и шурфов на стройплощадках г. Ставрополя.

Экспериментальные исследования состава и свойств песков проводились автором в лабораториях Северо-Кавказского инженерно-геологического Центра (бывший Северо-Кавказский филиал ПНИИИС Госстроя РФ, г. Ставрополь), лаборатории инженерной геологии и механики грунтов Северо-Кавказского государственного технического университета и ОАО «Ставропольагропромстройпроект».

Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:

1. Обосновано применение генетического принципа к изучению специфической песчаной толщи морских песков в условиях техногенной нагрузки на геологическую среду крупного города юга России.

2. Установлена природа и механизм структурной неустойчивости миоценовых пылеватых морских песков г. Ставрополя, обусловленной особенностями их состава, структуры и геологической истории.

3. Дан прогноз изменения свойств 35-метровой песчаной толщи, занимающей половину территории г. Ставрополя, при дальнейшем возрастании техногенной нагрузки.

4. Разработаны методические рекомендации по инженерно-геологической оценке свойств морских пылеватых песков как специфических грунтов юга России.

5. Разработаны и внедрены новые методы уплотнения структурно-неустойчивых песков в основаниях строящихся и аварийных зданий.

Практическая значимость исследований состоит в том, что:

Автор впервые собрал данные о массовых деформациях зданий, построенных на песках г. Ставрополя. При участии автора разработаны и утверждены Рекомендации / 19 / и получили распространение новые методы укрепления слабых грунтов на аварийных и вновь строящихся объектах Северного Кавказа /17- 22- 26- 27- 28- 32- 34- 35/.

Реализация результатов работы. Полевые и лабораторные исследования форштадтской толщи песков были проведены автором в процессе изысканий для нового строительства и при спасении аварийных зданий в г. Ставрополе. Под руководством автора были выполнены также подобные работы по укреплению про-садочных и обводненных грунтов на аварийных объектах Буденновской больницы, аварийных домах в гг. Кисловодске, Железноводске, Георгиевске, Зеленокумске, Буденновске, Благодарном, Ипатово, Ставрополе, Ростове н/Д, Новочеркасске и Ейске, при строительстве 16-этажного дома в центре Ростова н/Д.

Выполненные исследования позволяют дать прогноз изменения свойств пы-леватых морских песков как специфических слабых оснований краевого центра. Полученные результаты могут служить основой для составления региональных строительных норм (РСН) по изысканиям, проектированию и строительству в Ставропольском краедля повышения несущей способности оснований как при новом строительстве зданий в условиях плотной городской застройки, так и при восстановлении аварийных объектов.

Апробация работы. Отдельные вопросы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Городское строительство и экспертиза недвижимости» СевКавГТУ, IV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2000), Четвертой Международной конференции «Циклы» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2002), VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, СевКав-ГТУ, 2003), Четвертой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука — экономике России» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2003), Международных научно-практических конференциях «Строительство-2002» и «Строительство-2004» (г. Ростов-на-Дону, РГСУ), Международных научных конференциях «Петрогене-тические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии» и «Инженерная геология массивов лессовых пород» (Москва, МГУ, 2002 и 2004), Международной конференции по геотехнике, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 2003).

Защищаемые положения.

1. Морские дочетвертичные пылеватые пески при замачивании под нагруженными фундаментами обнаруживают дополнительные деформации, что позволяет отнести их к структурно-неустойчивым образованиям.

2. Формирование опасных свойств рассматриваемых структурно-неустойчивых песков следует объяснять на основе положений теории литогенеза, учитывающей изменение геохимических и геодинамических факторов на всех этапах формирования песчаной толщи с возрастающей на нее техногенной нагрузкой в настоящее время.

3. Природа и механизм структурной неустойчивости морских песков объясняется их недоуплотненным состоянием, возникшим на ранней стадии литогенеза в условиях мелководного морского бассейна за счет формирования точечных фазовых контактов между зернами (сцепления упрочнения по Н.Я.Денисову), и последующим постгенетическим (эпигенетическим) разрушением структурных связей при фильтрации воды в основаниях нагруженных фундаментов.

4. Инженерно-геологическое исследование рассматриваемых песков должно включать, помимо стандартных испытаний, регламентированных действующими строительными нормами, изучение недоуплотненного состояния и структурной прочности песков.

5. Основания существующих (аварийных) и строящихся на структурно-неустойчивых песках зданий в г. Ставрополе необходимо укреплять, в том числе методами, предложенными и опробованными с участием автора.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 25 статьях и тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и выводов, содержит 152 стр. машинописного текста, 24 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 191 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволяют сделать следующее заключение.

1 .На территории г. Ставрополя одним из главных и проблемных типов грунтовых оснований являются пылеватые рыхлые морские пески форштадтского горизонта среднесарматского яруса неогена. Они занимают почти 50% территории города и имеют мощность до 32−35 м. На этой песчаной толще ведется массовое строительство жилых домов (высотой до 16 этажей), обнаружены многочисленные деформации уже построенных зданий разной этажности. Из-за дополнительной осадки фундаментов некоторые здания испытала недопустимые аварийные деформации, потребовалось закрепление их оснований и несущих конструкций. Деформации зданий произошли не сразу, а спустя несколько лет после ввода зданий в эксплуатацию. Предпроектные изыскания были выполнены достаточно квалифицированными изыскателями-практиками (СтавропольТИСИЗ и др.) с применением современных стандартных инженерно-геологических методов, а песчаные основания были запроектированы с большим запасом (1,5−2,0 раза) несущей способности. Массовые деформации жилых домов и общественных зданий, построенных на форштадских песках Ставрополя, объясняются низким качеством строительства и плохой эксплуатацией зданий жилищно-коммунальными службами города.

2. Автор установил, что опасные геологические процессы, происходящие в песчаной толще и угрожающие устойчивости жилых домов (ослабление и потеря прочности оснований, провалы городских улиц и др.), связаны с техногенным обводнением застроенных территорий и специфическими особенностями состава и структуры форштадского песка. Для научного объяснения происходящих процессов потребовалось применить к практически неизученным пескам Ставрополя основной (литогенетический) принцип инженерной геологии, согласно которому свойства пород объясняются их составом и структурой, а последние обусловлены условиями формирования и существования породы.

3. Пески имеют следующие специфические особенности: пылевато-песчаный (тонкопесчаный) состав, высокую пористость, пологоволнистую и горизонтальную слоистость, указывающую на их волновую фациальную принадлежность к мелководному морю (В.Т.Фролов). Они в различной степени карбонатизированы и бурно вскипают при воздействии соляной кислоты.

4. Характерной инженерно-геологической особенностью песков является их высокая пористость и наличие сцепления упрочнения (по Н.Я. Денисову). В естественных условиях пески, как и лессы, имеют связность и прочность, сохраняют отвесные откосы. После обводнения происходит разрушение структурных связей, пески превращаются в бесструктурную массу, приобретают плывунные свойства и высокую сжимаемость. Их прочность по конусу Ребиндера снижается в 11- 87 раз, т. е. на 1- 2 порядка.

5. На основе анализа структурных особенностей морских пылеватых песков (их высокой пористости и наличия структурного сцепления) установлено, что причиной деформаций жилых домов, построенных на песках, является разрушение водой их структурных связей и последующее доуплотнение, как и любого другого структурно-неустойчивого грунта (по H.A. Цытовичу).

6. Причиной рыхлого недоуплотненного состояния песков явилось формирование новых структурных связей сцепления упрочнения на ранней стадии их диагенеза. Разрушение этих связей в новых континентальных условиях выветривания (техногенного гипергенеза), под нагрузкой фундаментов и воздействием фильтрующейся воды приводит к деформациям зданий.

7. Исходя из общей схемы литогенетического развития осадочных пород, рассмотрены три стадии литогенеза морских форштадтских песков: 1) седименто-генез, 2) диагенез, 3) эпигенез и гипергенез.

8. Формирование специфических свойств морских песков обусловлено возникновением на ранней стадии новых структурных связей и затем разрушением их при возросшей нагрузке от фундаментов в новых геохимических условиях (стадия эпигенеза и гипергенеза). Гипотеза доуплотнения песков проверена в лабораторных условиях и получила подтверждение.

9. Исходя из литогенетических и инженерно-геологических особенностей форштадтских песков, даны рекомендации по инженерно-геологической оценке их свойств.

10. С участием автора составлены и успешно внедрены на ответственных объектах юга России «Рекомендации по проектированию и устройству буронабив-ных свай в просадочных и слабых грунтах» /19 /. Одновременно с научно-исследовательской и изыскательской деятельностью автор в должности старшего прораба выполнял работы по изучению и укреплению слабых (просадочных и обводненных) грунтов на аварийных объектах Буденновской больницы (1995;96 гг.) — оснований аварийных школ (№№ 32, 36, 50, 52, 57) и 16-этажного дома в г. Ростове-на-Донуаварийного 12-этажного дома и зданий городской больницы в г. Же-лезноводскефедеральных памятников архитектуры — Дачи Ф. И. Шаляпина (1902г.) и Музея А. А. Ярошенко (1912 г.) в г. Кисловодскездания грязелечебницы им. Семашко (1915 г.) в г. Ессентукипоследнего здания Мамай-Маджарского монастыря (1888 г.) в г. БуденновскеОсобняка купца Митина (1886 г.) и объектов, построенных на структурно-неустойчивых песках в г. Ставрополе. При этих работах были опробованы различные методы укрепления слабых оснований: буронабивные грунтовые, песчаные и бетонные сваи, глубинное уплотнение слабых грунтов с их заменой на грунты с высокой несущей способностью.