Тема 3.2 Инженерно-геологическая характеристика вечномерзлых грунтов
План изучения темы:
1. Общие сведения о вечномерзлых грунтах. Температурный режим вечной мерзлоты. Свойства грунтов при замерзании. Деятельный слой.
2. Подземные воды в зоне вечномерзлых грунтов. Вечномерзлые породы. Особенности строительства взлетных полос и сооружений в зоне вечной мерзлоты
Краткое изложение теоретических вопросов:
Мерзлые грунты - имеют криогенные структурные связи, т.е. цементом грунтов является лед. Их часто именуют "криогенными" (криос --холод, лед). В состав класса входят практически все скальные, полускальные и связные грунты, находящиеся в условиях отрицательных температур. К этим трем группам добавляется группа ледяных грунтов в виде надземных и подземных льдов. Разновидности мерзлых грунтов оцениваются по льдистым (криогенным) структурам, засоленности, температурно-прочностным свойствам и др.
Мерзлые грунты в технической литературе. Мерзлое состояние фунтов, т. е. в условиях отрицательных температур, бывает временным и постоянным (вечным).
Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима с отрицательными температурами, фунты у поверхности земли промерзают. Это так называемая "сезонная" мерзлота. Скальные фунты при этом получают отрицательную температуру, а дисперсные и техногенные замерзают за счет перехода в порах грунтов жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных фунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклинивающего действия образующегося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).
В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвязные фунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную прочность, несколько увеличивают объем и становятся водонепроницаемыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при механической разработке. При небольшой влажности, что может быть в песках, свойства фунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре практически мало меняются.
В весеннее время года лед в фунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Особенно сильно это сказывается на органоминеральных и органических грунтах, которые могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под фундаментов сооружений.
В строительстве сезонное промерзание фунтов всегда учитывается, определяется глубина промерзания df, которая зависит от климата и литологических особенностей фунтов. Величина df колеблется от нескольких сантиметров до 2--3 м и определяется:
1. по карте СНиПа, где показывается среднее значение по каждой местности по расчетным формулам
2. по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности Искомое значение используют при проектировании зданий и сооружений
Вечная мерзлота в России занимает большие площади на севере Европейской территории, и особенно в Сибири, в многолетнемерзлом состоянии находятся фунты скальные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых грунтов относят также чистые льды, входящие в фунтовые толщи в виде прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые фунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.
В России территорию вечномерзлых фунтов делят на три зоны: сплошную; с таликом; островную Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура фунтов минус 7--12 ° С.
Зона с таликами располагается южнее. Отдельные участки зоны представляют собой талые фунты; мощность мерзлых толщ 20--60 м при температуре 0,2--2 "С.
Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири; мерзлые фунты встречаются в виде отдельных участков; мощность толщ 10--30 м; температура от 0 до --0,3 "С
Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части: 1) деятельный слой; 2) собственно мерзлая толща.
Деятельный слой -- это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период оттаивает и замерзает зимой, т. е. в определенной мере это сезонная мерзлота. Мощность этого слоя зависит от климата и диалогического состава грунтов и колеблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юге - наибольшая. В одном и том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2--1 м, в то же время как в песках и гравии, имеющих открытые поры, 2--4 м.
Деятельные слои бывают двух видов: сливающиеся и несливающиеся. В первом случае деятельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой на которой лежит. При несливающимся деятельном слое между ними в вечномерзлой толщи остается слой незамерзшего грунта.
Для решения инженерных задач важно знать мощность деятельного слоя. Эту мощность можно определить: а) при инженерно-геологических изысканиях;
б) по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным районом;
в) расчетным способом, при котором учитывается тепловое влияние будущего здания или сооружения.
В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунтовая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре. Возведение различных сооружений в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоя - мощности, физических и физико-механических характеристик грунтов, поведения надмерзлой воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие негативные процессы, приводящие к деформации объектов.
Вечномерзлая толща по своему строению бывает двух видов: 1) непрерывная, т. е. в виде сплошного массива из мерзлого грунта; 2) слоистая - в виде чередования мерзлых слоев со слоями (прослоями) талых грунтов или чистого льда. Наличие талых грунтов связано с циркуляцией межмерзлотных (межпластовых) напорных подземных вод. В долинах рек Лены, Енисея и других мерзлота отсутствует. Это объясняется притоком тепла от речных вод. В южной зоне мерзлота постепенно оттаивает за счет теплого климата и в настоящее время сохраняется только на отдельных участках ("островная" мерзлота). В мерзлых толщах очень часто содержится чистый лед (слои, прослои, линзы). Наибольшие мощности льда (до 20 м) отмечены на севере Сибири. Такой лед называется "погребенным".
В вечной мерзлоте присутствуют все виды грунтов. Грунты скального класса занимают незначительное место. Основную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески и т. По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют на три вида:
1. твердомерзлые - сцементированный песок, который ведет себя как скальный грунт;
2. пластичномерзлые - сцементированные льдом глинистые грунты, которые содержат так же жидкую воду и могут сжиматься под нагрузкой
3. сыпучемерзлые - в виде песка, гравия, в которых обломки и частицы не сцементированы льдом и грунты находятся в рыхлом состоянии
Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обуславливает три текстуры мерзлых толщ:
1. массивная --лед в грунте распределен равномерно;
2.слоистая--лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев
(прослоев, линз)
3.сетчатая---слои и прослои льда пересекаются в разных направлениях Грунты с сетчатой текстурой при оттаивании дают наибольшую осадку, чаще всего это водонасыщенные торфяные грунты. Наименьшую дают грунты с массивной текстурой
Раздел 4. Инженерно-геологические обследования
Тема 4.1 Общие приемы инженерно-геологических обследований
План изучения темы:
1. Инженерно-геологические обследования в период изысканий автомобильных дорог и аэродромных площадок. Цели и задачи изучения местности.
2. Стадии инженерно-геологических обследований.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Общими приемами геологических работ являются:
- маршрутные наблюдения (рекогносцировочное обследование);
Описание маршрута состоит из следующих частей: 1) дата и погода, 2) номер маршрута, 3) указание района маршрута, 4) цель маршрута и характер изучаемых объектов, 4) привязка начала маршрута, 5) описание маршрута, 6) выводы по маршруту.
- геофизические исследования (применяются для изучения геол. разреза скважин и массива г. п. в околоскважинном и межскважинном пространствах, контроля техн. состояния скважин);
- полевые исследования грунтов;
- стационарные наблюдения;
- лабораторные исследования грунтов;
- составление прогноза изменений геологических условий;
- оценка опасности и риска от геологических процессов;
- составление технического отчета
При проектировании а/дорог на стадии изыскания изучают:
1. происхождение, состав, физико-механические свойства, степень устойчивости, распространение и условия залегания различных видов грунтов;
2. гидрологические и гидрогеологические характеристики местности (характер поверхностного стока воды, ее испарение, уровень грунтовых вод, направление грунтового потока, наличие верховодки);
3. физико-геологические условия (наличие и возможность возникновения оползней, обвалов, осыпей, селей, многолетней мерзлоты, карста и др.);
4. климат (температура воздуха, количество осадков, скорость и повторяемость ветров и др.), рельеф местности, характер растительности;
5. обеспеченность района строительства дорожно-строительными материалами, выявление места их залегания, качества, запасов, условий разработки и транспортировки к месту работ.
В качестве дорожно-строительных материалов применяются: песок, гравий, камень, доменный и котельный шлаки, отходы горно-обогатительных фабрик и камнедробильных заводов, отвалы рудников, карьеров и пр. Квалифицированная оценка данных аспектов позволяет выбрать наилучший вариант при проектировании автомобильных дорог и принять правильные технические решения, обеспечивающие устойчивость земляного полотна, дорожных одежд и других сооружений. С целью получения необходимых данных при изыскании автомобильных дорог обязательным этапом работ является изучение свойств грунтов вдоль всей дорожной трассы в придорожной полосе шириной 100-200 м.
Полнота и детальность грунтовых обследований отдельных участков проектируемой дороги зависит от сложности их природных условий и от технической категории проектируемой дороги.
Полевые работы являются основным этапом инженерно-геологических обследований. Она заключаются в описании (съемке) местности, изучении естественных обнажений, проходке и изучении буровых скважин, шурфов и проведении гидрогеологических исследований. В равнинной или слабохолмистой местности изучаются главным образом свойства и условия залегания грунтов, а также гидрогеологические условия. Кроме того, для разрешения вопроса о дорожно-строительных материалах одновременно с инженерно-геологическими исследованиями ведут геологоразведочные работы, направленные на выявление вблизи дорожной трассы тех горных пород земной коры, которые могут быть использованы в строительстве автомобильной дороги в качестве каменных материалов или грунтов после их укрепления.
На местности, где возможны проявления оползней, карста, обвалов и других негативных явлений, а также, в местах возведения ответственных сооружений (большие и средние мосты, высокие насыпи, глубокие выемки) инженерно-геологические обследования ведут более полно: производят геологическую съемку (описание) местности на большую глубину, изучают грунты и гидрогеологические условия, уделяют внимание возможным воздействиям инженерного сооружения на природную обстановку и тд.
При больших объемах работ для решения поставленных выше задач осуществляют фотосъемку местности с применением аэрометодов и космических снимков.
Объем и характер полевых инженерно-геологических и других видов обследований зависит от сложности и степени изученности природных условий района изысканий, а так же от выполнения стадий проектно-изыскательских работ (ТО, технический проект дороги, рабочие чертежи).
Тема 4.2 Инженерно-геологические обследования вдоль дорожного полотна
План изучения темы:
1. Основные задачи обследования грунтов при изысканиях автомобильных дорог. Правила заложения разведочных скважин и выработок, места их заложения.
2. Обследование оврагов, болот, глубоких выемок, косогоров, селевых участков, мест схода снежных лавин.
3. Составление грунтово-геологического разреза на продольном профиле автомобильной дороги
Краткое изложение теоретических вопросов:
В задачу полевых грунтовых (инженерно-геологических) обследований местности вдоль трассы входит изучение всего комплекса природных условий (грунты, почвы, грунтовые воды, местные дорожно-строительные материалы) с тем, чтобы получить возможность учета их влияния при проектировании в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог.
Кроме того с внедрением в дорожное строительство различных методов укрепления грунтов в задачу полевых обследований вошла также подробная характеристика местных грунтов (крупнообломочных, песчаных, глинистых) как дорожно-строительных материалов, используемых для укрепления их вяжущими материалами. При этом изучается состав и свойства отдельных видов грунтов, устанавливается их генезис и другие особенности, фиксируются границы распространения.
Основным видом выработок, с помощью которых производится подробное изучение пространственного распределения и вертикального строения отдельных типов грунтов вдоль изучаемой трассы являются шурфы. Основные шурфы и скважины закладываются на наиболее характерных элементах рельефа (на водораздельных плато, склонах, гребнях холмов или в низинах) шурфами вскрывается почвенный слой и подстилающая его материнская порода.