Автореферат: Роль геоэкологических факторов в формировании плывунности песчаных грунтов

Глава 4. Геоэкологические факторы, определяющие плывунность.

Дана характеристика основных геоэкологических факторов - техногенных воздействий и их источников, характерных для городских территорий, воздействующие на геологическую среду и влияющие на состав, структуру, свойства грунтов, и на плывунность песков.

Гидродинамические геоэкологические воздействия. Подтопление. Интенсивное строительство крупных городов, освоение подземного пространства неизбежно сопровождаются изменениями естественного режима поверхностных и подземных вод. (Бондаренко, Мамаева, 1987; Тютюнова, 1988; Грязнов, 1997; Меркулов, 2000; Семенов, 2000 и др.) Под влиянием: трансформации гидрографической сети города; наличия утечек из водонесущих коммуникаций, создания экранов на пути естественного подземного стока, уплотнения грунтов под действием нагрузки от зданий и сооружений, накопления в котлованах и траншеях стока атмосферных осадков, застройки территорий и уменьшения естественного испарения; изменения температурного режима грунтов, усиления внутригрунтовой конденсации влаги - типичные геоэкологические факторы, приводящие изменениям в геологической среде, как составляющей биотопа.

Влияние избыточной влажности на состояние, структуру и свойства грунтов изучено достаточно полно, - при насыщении водой песчаных грунтов прочность их снижается. (Иванов, Платов, Красников, Казакова).

Следует отметить, что одной из основных причин потери устойчивости песчаных грунтов является гидродинамическое давление, создающееся при перепаде давления грунтовых вод, напр., при вскрытии котлована, прорыве водонесущих коммуникаций. (Лебедев, Троицкая)

При проектировании инженерных сооружений на подтопляемых территориях необходимо иметь прогнозные данные об изменениях прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов в условиях их подтопления, как существенного фактора формирования плывунности.

Тепловые геоэкологические воздействия - это тепловые нагрузки от сетей, обогреваемых подвалов, коллекторов, станций и туннелей метрополитена и т.д. (Жигалин, Ракинцев, Антыпко).

Плотная застройка, асфальтирование препятствует выходу избыточного тепла из грунтов. Вокруг источников тепла «…образуется зона просушивания, оконтуренная волной повышенного влагосодержания вдали от контакта источника тепла и грунта» (Жигалин и др.). Повышение температуры грунтовых вод приводит к активизации химических и физико-химических процессов в грунтах и подземных водах, изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов, вызывает в них структурно-текстурные изменения (Королев, Николаева, Жигалин, Жиленков, Месчан и др.)

Перенос влаги в грунтах под действием градиента температуры достигает величин, вызванных градиентом давления влаги, или превосходит их (Королев), т.е. рост температуры грунта способствует повышению плывунности песков при активизации процессов влагопереноса. Но еще большую опасность представляет нагрев грунтов и грунтовых вод с точки зрения активизации и ускорения физико-химических процессов, таких как растворение и вымывание солей из песчаных грунтов, что в свою очередь приводит к снижению прочности.

Химические и физико-химические геоэкологические воздействия приводят к активизации процессов в грунтах и с изменением состава, состояния, структуры и свойств грунтов (Королев, Воронкевич, Перельман). В условиях этих воздействий происходит засоление грунтов, что создает новые структурные связи в грунтах или разрушает существующие (Королев, Кошелев), что несомненно отражается на их плывунности.

Привычное отношение к пескам как исключительно кварцевым по составу неточно, т. к. пески полиминеральны и содержат карбонаты и другие минералы, которые не только сами растворимы, но и являются по существу фактором засоленности.

Засоленные грунты могут быть природными и техногенными. Последние - результат техногенеза, образовались под действием негативных факторов и весьма чувствительны к изменению природной обстановки, а особенно к увлажнению. При определенных условиях происходит вторичное засоление грунтов. Основными причинами вторичного засоления под влиянием геоэкологических факторов являются: несовершенство систем орошения; техногенное воздействие на гидросферу застроенных или застраиваемых территорий; фильтрация через грунты растворов химических веществ, производственных отходов из накопителей, шламов, а также растворонесущих коммуникаций различных промышленных предприятий (Черкасов, Лаврова).

Известно, что при взаимодействии с природными и техногенными водами растворимость средне- и труднорастворимых солей может увеличиваться. (Дерягин, Чураев и др.) В конечном итоге физические свойства засоленных грунтов в т.ч. и песчаных разностей определяются количественным содержа-нием и качественным составом солей, емкостью поглощения, степенью гидрата-ции и дисперсности грунта. В процессе выщелачивания солей происходит изменение ионно-солевого комплекса и, как следствие, дисперсности и гидрофильности грунта, приводящее к изменению его фильтрационных и практически всех физических свойств, в том числе и плывунности.

Микробиологическое выветривание, является одним из важнейших факторов трансформации дисперсных грунтов. По данным В.В. Радиной микроорганизмы изменяют напряженное состояние грунта путем газообразования, что может стимулировать образование плывунов.

Техногенные динамические нагрузки являются одной из основных причин разжижения песчаных грунтов. При этом разжижение - это всего одна из форм реакции песчаных грунтов на динамические нагрузки, связанная с быстрым нарастанием порового давления на фоне уплотнения грунта вплоть до исчезновения эффективных напряжений. (Вознесенский).

Техногенные динамические нагрузки распространяются главным образом в верхней части грунтовой толщи до глубин 10-15м (Локшин). Источниками техногенных динамических нагрузок являются: транспорт, строительное и промышленное оборудование, взрывы.

Территория города является единым очагом техногенных динамических нагрузок в силу наложения волн напряжений от перечисленных источников. По Гурвичу в пределах города они генерируют колебания с частотами от 2-5 до 60-70 Гц, иногда до 200 Гц при максимальных амплитудах перемещения частиц грунта порядка десятков микрометров на частотах 20-30 Гц.

Изменения в грунтах под действием динамических нагрузок имеют сложный характер и являются функцией их состава, структуры, состояния, свойств и параметров воздействия (Вознесенский). Увеличение интенсивнос-ти динамической нагрузки, рост скорости колебания структурных элементов и объемов грунтов, наличие «критических ускорений» при вибрации, изме-нение угла отклонения направления вибрации от горизонтального способст-вует плывунности песчаных грунтов. Характер передачи динамических воздействий также влияет на скорость разжижения. (Кожобаев, Сид и др.)

В пределах территорий промышленных предприятий и городов, проявляется комплекс геоэкологических воздействий на геологическую среду, который приводит к сложному ее изменению за счет трансформации состава цемента и структурных связей между частицами. В результате этого техно-генного гипергенеза формируется новый постгенетический тип грунтов, харак-теризующийся составом и свойствами, существенно отличающимися от состава и свойств известных типов грунтов. Таким образом., техногенный гипергенез обладает большим потенциалом влияния на плывунность песчаных грунтов. Важна правильная оценка влияния комплекса геоэкологических воздействий на грунт как в процессе строительства, так и в период эксплуатации здания.

Глава 5. Экспериментальные исследования формирования плывунности песков в сложной геоэкологической обстановке.

Приведена инженерно-геологическая характеристика исследованных грун-тов. Для изучения прочности структурных связей песчаных грунтов при различ-ных геоэкологических воздействиях были отобраны образцы трех генетических типов - аллювиальные, флювиогляциальные и моренные в Москве и Московской области (рис. 1).

На основе анализа данных изысканий получены характеристики песчаных грунтов, по которым для дальнейших исследований в лаборатории были отобраны пески (табл.2).

Отбор проведен с учетом параметров, влияющих на плывунность. Экспериментальные исследования проводились также на образцах песков другого генезиса: эоловые пески (Ашхабад), морские пески (Одесса). Представлены результаты лабораторных исследований структурной прочности песков при различной влажности, температуре и химическом загрязнении.

Таблица 2. Краткая характеристика исследованных грунтов

Рис. 1. Фрагменты инженерно-геологических разрезов. Объекты: а) г.Москва, ТОК на площади Курского вокзала. б) г. Москва, ул.. Волхонка, д.6;

Рис. 2. Фрагменты инженерно-геологических разрезов. Объекты: в) г. Москва, Проспект Мира, вл.211. г) Московская обл., д. Захарково, левобережная пойма р.Москвы.

Для выявления роли влажности в изменении прочности песчаных грунтов испытана серия образцов в воздушно-сухом, естественно влажном и водонасыщенном состояниях (рис.2).

Из рис. 2 видно, что при насыщении водой песчаных грунтов наблюдается понижение их прочности. Высушивание приводит к сокращению подвижности песков. Практически все песчаные грунты обладают наибольшей прочностью при влажности 3-7%, когда связности способствуют как имеющиеся структурные связи, так и капиллярное давление менисков, внутреннее трение и эффект зацепления песчаных зерен. В воздушно-сухом состоянии наибольшую величину прочности по конусу имеют флювиогляциальные и озерно-ледниковые пески, в которых коллоидные и глинистые примеси играют структурообразующую роль. Из представленных результатов следует вывод о том, что при водонасыщении плывунность песчаных грунтов значительно увеличивается за счет потери структурной прочности связей между частицами песка, причем в флювиогляциальных песках это снижение наиболее значительно. Меньше всего увлажнение повлияет на плывунность эоловых песков.

Рис. 3. Влияние влажности на прочность песков

Для выявления роли температуры в изменении структурной прочности песков изучена серия образцов (аллювиальных, моренных и флювиогляциальных, элювиальных и эоловых песков) с естественной влажностью и ступенчато нагревалась с t = (20^о- 60^о ) с интервалом 10 град. (В этих пределах повышается температура грунтов вблизи тепловых магистралей), с оценкой прочности по конусу. Далее исследованы грунты в водонасыщенном состоянии. Результаты представлены на рис. 3,4

Как видно из рис.4 существенным оказалось повышение t до +40^о. Дальнейшее повышение t не сказалось на изменении структурной прочности грунта. При естественной влажности, при увеличении температуры во всех образцах наблюдается понижение их прочности. При нагревании до 40^оС плывунность песков увеличивается. Наиболее резкое понижение прочности песков отмечено у флювиогляциальных (370·10² -160·10² Па), у моренных отмечены значительные изменения прочности (330·10² - 145·10² Па), наименьшему влиянию t подвержены аллювиальные пески, понижение прочности составляет (320·10²-250·10²Па). Прочностное поведение исследованных песчаных грунтов обусловлено типом структурных связей, которые в них наблюдаются. По Платову Н.А. в эоловых песках преобладает наиболее слабый тип структурных связей - капиллярный. Поэтому изменение влажности и температуры оказывает наименьшее влияние на пески данного типа. Аллювиальные, моренные и морские пески имеют капиллярный, коагуляционный и пластифицировано-коагуляционный типы структурных связей, и за счет последнего типа они более чувствительны к изменению влажности и температуры. Наибольшей «чувствительностью» при изменении влажности и температуры обладают флювиогляциальные и озерно-ледниковые пески, поскольку в них преобладают пластифицировано-коагуляционные связи.