Полная версия

Главная arrow География arrow Ледниковые отложения центральных областей Восточно-Европейской (Русской) равнины и краткая их инженерно-геологическая характеристика

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Инженерно-геологический критерий

В связи с обоснованием проектов строительства крупных народно-хозяйственных объектов в группу важнейших критериев входит инженерно-геологический критерий как непременный при инженерно-геологических изысканиях. Накопленный фактический материал о составе, состоянии и свойствах отдельных элементов геологических тел ложится в основу их расчленения на квазиоднородные по физико-механическим свойствам инженерно-геологические элементы (ИГЭ). Выделение ИГЭ позволяет выполнить систематизацию, анализ и обобщение результатов специальных испытаний грунтов, необходимых в строительных целях. В процессе изучения территорий выполняются комплексные исследования физико-механических физико-химических и фильтрационных свойств грунтов и их интерпретация для определения расчетных параметров устойчивости инженерно-геологических элементов в основаниях сооружений.

Инженерно-геологический критерий опирается на комплексные исследования инженерно-геологических условий областей ледниковой аккумуляции анализ, обработку и обобщение получаемых результатов. К настоящему времени построено большое количество крупных сооружений, проведены значительные по видам и объемам изыскания и исследования, но большая часть результатов изысканий и исследований остаются закрытыми для анализа, обобщения и установления закономерностей распределения в пространстве состава и свойств грунтов ледниковых отложений.

Кроме того, что материалы изысканий трудно получить, для обобщения необходимы условия, когда один человек или группа должны увидеть и проследить в разрезах и в пространстве исследуемые отложения ледниковых покровов различного возраста на всей территории их распространения.

Следующим условием должна быть разработка программ изысканий и исследований, обобщения и выявления закономерностей одновременно с совершенствованием расчетных программ устойчивости и напряженно деформированного состояния системы основание - сооружение. Другими словами, с совершенствованием методов, приборов и инструментов исследований, расчетных программ необходимо совершенствование системного подхода к проектно-изыскательским работам.

Возможно по этой причине обобщающих инженерно-геологические исследования работ не так уж и много. Одна из первых обобщающих работ в области инженерно-геологических исследований сделана Е.С. Карпышевым (1963) по нескольким объектам гидроэнергетического строительства, расположенным в различных районах ледниковой аккумуляции.

Известны и другие работы, среди которых следует отметить работы, выполненные в разное время С. С. Морозовым (1949, 1962), Т.Т. Лавровой (1965), А.А. Каганом (1966, 1974), Т.В. Максимовой (1984).

В таблице 8.1 приведены данные прочностных и деформационных характеристик моренных супесей и суглинков (Карпышев, 1963). На тот период, имея ограниченные данные строения моренных толщ, практически невозможно было разделить супесчаные и суглинистые грунты, «сложно перемежающиеся в толще». Обобщение свойств супесчаных и суглинистых разностей грунтов стало возможным после того, как были получены близкие сдвигу по величине показатели.

Если проследить изменение параметров прочности, приведенных в таблице 8.1 с севера на юг от Плявиньской к Гродненской ГЭС через Каунасский гидроузел, то изменения прочностных и деформационных показателей в этом направлении минимальные. Если посмотреть изменения показателей сдвига от Плявиньской ГЭС на юго-восток, через Витебский гидроузел к Можайской ГЭС, то изменения показателей значительно больше. Убрав из списка Советскую ГЭС, которая отличается от остальных ГЭС принадлежностью к другому региону и типу ледового литогенеза, получим расхождения в величинах показателей прочности и деформируемости грунтов не столь значительные.

От Валдайской возвышенности по направлению на юго-восток через центральную части Русской равнины величины естественной влажности моренных суглинков коричневых разновидностей (верхних двух горизонтов) изменяются в пределах от 8 до 12%. И в этих изменениях на графиках можно заметить их относительное постоянство (рис. 8.2). Однако если модальные значения величин влажности красновато-коричневых суглинков составляют 10-12%, то на гистограммах серовато-коричневых модальные значения несколько смещены и составляют 9—11 % (см. рис. 3.43, 3.49). Расхождения величин влажности невелики, можно сказать в пределах точности определения показателя. Соотношения их постоянны и характерны в целом как для суглинков районов Клинско-Дмитровской гряды, так и Валдайской возвышенности. Однако когда все эти цифры ложатся на графики, то получаются вполне закономерные изменения (рис. 8.2).

Величины естественной влажности у суглинков близки влажности предела пластичности и отличаются на незначительные величины в ту и иную сторону, за исключением Московского региона и Тамбова всегда ненамного, но больше влажности предела пластичности (рис. 8.2, а).

Таблица 8.1

Средние значения показателей сопротивления сдвигу супесчаной и суглинистой морены по объектам гидротехнического строительства в различных районах ледниковой аккумуляции (Е.С. Карпышев, 1963)

Наименование

Наименование ГЭС (число определений)

показателей физико-механических свойств

Каунасский

(65)

Плявиньская

(35)

Можайская

(76)

Рузская

(33)

Гродненская

(23)

Витебская

(6)

Советская

(Ю)

Угол внутреннего трения ф,

......град-.,.................................................

35

35

29

32

35

31

25

Сцепление,

МПа

0,045

0,015

0,015

0,016

0,025

0,015

0,035 |

Относительное сжатие (%) при нагрузке, МПа

0,3

1,0

1,0

1,2

1,6

1,3

0,8

0,9

0,5

1,5

1,5

1,8

2,4

1,6

-

1,4

Величины естественной влажности супесей всегда не намного, но меньше влажности предела пластичности на всем протяжении центральной части равнины (рис. 8.2, б). Таким образом, графики позволяют понять, что моренные супеси, чаще всего на всей территории Русской равнины, находятся в твердой консистенции. Исключением могут служить супеси Клинско-Дмитровской гряды и западной части (район среднего течения Рузы), где уровни влажности очень близки.

Консистенция суглинков изменяется в относительно более широком диапазоне. У суглинков московской морены, легких и средних по составу, величины верхнего предела пластичности (Wl) на различных участках также мало отличаются друг от друга и составляют в среднем 20% (рис. 8.2). Величины естественной влажности (We), влажности нижнего предела пластичности (Wp) различаются незначительно в пределах точности определения и составляют в среднем около 12%.

Приведенные графики показывают, что по величине природной влажности и влажности пределов пластичности глинистые отложения московской морены отличаются незначительно на различных участках центральной части Русской равнины.

Анализ гранулометрического состава свидетельствует о небольшом расхождении содержания глинистых частиц (рис. 8.3). Основные отличия наблюдаются в мелкопесчаных фракциях, что, вероятно, обусловлено местными условиями моренообразования.

Кроме того, эти отличия могут объясняться некоторым различием исходных породообразующих минералов в различных областях питания их переработкой и накоплением пород в разных районах. Исходным материалом для них служили песчано-глинистые толщи водно-ледниковых отложений. Интегральные кривые средних значений показывают меньшее содержание песчаных частиц средней крупности и большее содержание пылеватых фракций в составе красновато-коричневых суглинков и супесей.

При работе с ледниковыми отложениями на различных территориях Русской равнины появляется визуальное представление, что близкие по составу моренные суглинки коричневых разновидностей (верхних двух горизонтов) по направлению к юго-восточной части равнины становятся относительно более глинистыми. Изначально темно-серые, тяжелые по составу суглинки Клинско-Дмитровской гряды и Сетуньской свиты на территории Москвы исключим из этого ряда.

Если расположить объекты в таком порядке, то получим для числа пластичности супесей и суглинков приблизительно одинаковые тренды с увеличением числа пластичности (глинистости грунтов) в направлении с северо-запада на юго-восток (рис. 8.4).

Графики изменения естественной влажности (W), верхнего и нижнего пределов пластичности (W, W) моренных суглинков (а) и супесей (б) по данным лабораторных исследований на различных объектах

Рис. 8.2. Графики изменения естественной влажности (We), верхнего и нижнего пределов пластичности (WL, Wp) моренных суглинков (а) и супесей (б) по данным лабораторных исследований на различных объектах

Несколько другая картина наблюдается и в распределении плотности суглинков (рис. 8.5). Диапазон изменения величин плотности в естественном сложении в основном заключен в пределах от 2,08 до 2,30 г/см3. Распределение плотности моренных суглинков на различных участках показывает, что наибольшие сезонные колебания плотности наблюдаются до глубины, не превышающей 5 м (см. рис. 4.45, 4.46). На гистограммах плотности суглинков выделяется несколько пиков с модальными значениями величин, характерных для отдельных слоев, выделяемых в каждом из горизонтов при микрорайонировании толщи. При этом у суглинков верхнего горизонта, так же как и у нижнего, распределение плотности имеют близкий вид кривых трендов (см. рис. 4.17).

Интегральные кривые средних значений гранулометрического состава ледниковых отложений от Валдайской возвышенности до междуречья рек Цна - Лесной Тамбов

Рис. 8.3. Интегральные кривые средних значений гранулометрического состава ледниковых отложений от Валдайской возвышенности до междуречья рек Цна - Лесной Тамбов: 1 - суглинки легкие, красновато-коричневые района Котовска; 2 - суглинки легкие, темно-серые, Останкино; 3 - суглинки легкие, серовато-коричневые, Останкино; 4 - суглинки легкие, красновато- коричневые Клинско-Дмитровской гряды; 5 - суглинки легкие, серовато-коричневые Клинско- Дмитровской гряды; 6 - суглинки легкие, красновато- коричневые Валдайской возвышенности; 6 - суглинки легкие, серовато-коричневые Валдайской возвышенности

Характер распределения гигроскопической влажности по глубине и распределения плотности суглинков в верхнем и нижележащем горизонтах на рассматриваемых участках подчеркивает их принадлежность к единому генетическому типу (см. рис. 3.23; рис. 4.17). Этот факт еще раз подчеркивает обоснованность выделения горизонтов и отдельных слоев в каждом из них.

Изыскания и исследования на различных участках показывают, что плотности супесей отличаются по величине, при этом наибольшие значения плотности супесей получены в пределах Валдайской возвышенности и Клинско-Дмитровской гряды, а далее - к центральной части Русской равнины и к югу проявляется тенденция некоторого уменьшения плотности супесей (рис. 8.5).

Это происходит, по-видимому, не только с одновременным увеличением глинистых и мелкопылеватых частиц (см. рис. 8.4), но и с изменениями в составе минеральных комплексов глинистой фракции.

График изменения плотности скелета красновато-коричневых и серовато-коричневых супесей московской морены на различных участках

Рис. 8.5. График изменения плотности скелета красновато-коричневых и серовато-коричневых супесей московской морены на различных участках

Судя по изменению минералогического состава, происходит осветление толщи, разрушение более тяжелых темноцветных минералов и замещение их модификациями силикатов с меньшей плотностью твердых частиц. Возможно, это происходит не только под влиянием изменения минералогии питающих провинций, но и одновременно с более глубоких преобразований в процессе формирования толщ, переработкой состава исходного материала ледниковых отложений и образованием оптимальных смесей.

Примерно аналогичная картина наблюдается у величин плотности суглинков, легких и средних по составу, то есть основной части ледниковых отложений центральной части Русской равнины (рис. 8.6).

Широкий диапазон колебания величин плотности грунта в кровле верхнего горизонта и некоторые различия в величине диапазонов на разных геоморфологических элементах указывают на то, что степень экзогенных изменений зависит от местных геолого-геоморфологических условий. Поэтому в каждом конкретном случае следует учитывать этот фактор при инженерно-геологической характеристике слоев, выделяемых в сфере влияния сооружения.

График изменения плотности (pd, г/см) красновато-коричневых и серовато-коричневых суглинков московской морены на различных участках

Рис. 8.6. График изменения плотности (pd, г/см3) красновато-коричневых и серовато-коричневых суглинков московской морены на различных участках

Величины сдвигающих усилий, полученные при испытаниях суглинков различной консистенции в интервалах вертикальных напряжений 0,1-0,5 МПа образуют области частных значений на графиках, в пределах которых линии тренда отличаются друг от друга углом наклона (рис. 8.7). В областях пересечения линий трендов на графиках в диапазоне варьирования 0,05-0,25 показателя текучести суглинки могут обладать практически одинаковыми величинами сдвигающих усилий.

Взаимосвязи сдвигающих усилий и показателя текучести при различных вертикальных нагрузках 0,1 МПа

Рис. 8.7. Взаимосвязи сдвигающих усилий и показателя текучести при различных вертикальных нагрузках 0,1 МПа (а), 0,3 МПа (б) и 0,5 МПа (в) в моренных суглинках Московского оледенения, отобранных до глубины 5,5 м на территориях Валдайской возвышенности (1) и Клинско-Дмитров-

ской гряды (2)

Таким образом, полутвердые суглинки на различных территориях могут обладать близкими показателями сопротивления сдвигу. Вместе с тем судя по расхождению концевых участков линий тренда, эти показатели могут отличаться на значительные величины. Испытания выполнялись по одинаковой схеме, на одинаковых приборах, одними и теми же исполнителями, поэтому результаты не вызывают сомнения, а их сравнение представляет определенный интерес. При увеличении вертикального давления области частных значений расширяются по оси т графика, при этом несколько увеличивается и угол расхождения между линиями тренда.

Графики взаимосвязи для данной выборки дают возможность оценить изменения прочностных характеристик суглинков на различных территориях. Линии трендов наглядно показывают снижение прочностных характеристик с увеличением показателя текучести. Эти изменения можно объяснить некоторыми отличиями в структуре и распределении частиц, о которых упоминалось выше. Абсолютные значения величин показателей сопротивления сдвигу моренных суглинков зависят во многом, как известно, от схемы проведения опыта. В данном случае рассматриваются результаты недре- нированно-неконсолидированных испытаний, которые предполагают быстрое нагружение грунтов без возможности фильтрации влаги.

При этом следует отметить, что в данном случае рассматриваются общие тенденции, а в каждом конкретном случае минимальные значения могут быть больше или меньше в зависимости от конкретных условий залегания ИГЭ.

Показательным примером существенного разуплотнения кровли верхнего горизонта ледниковых отложений могут служить изменения деформационных характеристик в суглинках верхнего горизонта юго-востока Валдайской возвышенности. Изменение плотности скелета суглинков по глубине (рис. 4.17) показывает, что наибольшие колебания этого показателя наблюдаются до глубины 5-9 м.

Определенный по результатам компрессионных испытаний модуль деформации суглинков, залегающих на глубине более 5 м, примерно в полтора раза превышает его среднее значение на глубинах до 5 м. Деформационные характеристики суглинков изменяются в широком диапазоне в приповерхностном слое экзогенных изменений (рис. 8.8).

Моренные грунты чувствительны к изменению напряженного состояния, так, в откосах котлованов, имея фазовые контакты между частицами, они тем не менее склонны к быстрому разуплотнению при снятии естественных напряжений. В результате к природной пористости добавляется значительная часть открытой микротрещиноватости.

Зависимости коэффициента пористости и модуля деформации от величины вертикальных напряжений при компрессионных испытаниях грунтов компрессионных

Рис. 8.8. Зависимости коэффициента пористости и модуля деформации от величины вертикальных напряжений при компрессионных испытаниях грунтов компрессионных: а - суглинки разуплотненные, залегающие до глубины 5 м; б - суглинки вне зоны выветривания, залегающие ниже глубины 5 м; 1а, 16 - суглинки Клинско-Дмигровской гряды, 2а, 26 - суглинки Валдайской возвышенности

Сравнивая результаты испытаний суглинков на различных территориях, можно заметить, что красновато-коричневые суглинки, залегающие ниже зоны выветривания (5,5-6,0 м), мало отличаются по деформируемости. Суглинки в зоне экзогенных изменений на Валдайской возвышенности, кровля которых находится вблизи поверхности, более сжимаемы, по-видимому, вследствие большей степени разуплотнения. Рисунок 8.8 подготовлен по результатам компрессионных испытаний полутвердых и твердых суглинков. Поэтому при достаточно большом количестве обломочного материала и его плотнейшей упаковке деформационные характеристики при вертикальных напряжениях 0,3-0,6 МПа могут быть достаточно высокими.

Выше по тексту отмечалось, что моренные суглинки очень чувствительны к изменениям влажности, увеличение которой сверх обычной, по-видимому, приводит к потере кристаллизационных структурных связей. А со степенью потери структурных связей частиц грунтов величины деформационных характеристик могут изменяться в широких диапазонах (см. рис. 3.48).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>