Особенности распространения и характеристика грунтовых толщ в пределах г. Минска

Для оценки состояния грунта используют физические, водные и механические свойства грунтов.

Физические свойства грунтов оцениваются по следующим характеристикам: плотность, удельный вес, пористость, влажность.

К водным свойствам грунтов относят: водонасыщение (свойство дисперсных грунтов впитывать и удерживать в себе свободную воду), водонепроницаемость (способность грунтов пропускать через себя гравитационную воду через поры и трещины), коэффициент фильтрации (скорость движения подземных вод при гидравлическом градиенте равном единице).

Водно-физические свойства: пластичность (способность глинистого грунта под действием внешних усилий менять свою форму без разрыва сплошности, а после прекращения действия усилия сохранять полученную форму), число пластичности (диапазон определенных значений влажности, где проявляются пластичные свойства), набухание, усадка. На основании этих данных можно классифицировать грунты по величине сжимаемости, устанавливать величину структурной прочности грунта, определять модуль общей деформации грунта.

Механические свойства подразделяются на деформационные и прочностные.

Исследование деформационных свойств заключается в изучении характера сжимаемости, величины и скорости этого процесса, которые необходимы для расчетов осадок оснований сооружений и допускаемых давлений на основание. Сжимаемость вусловиях невозможности бокового расширения грунта называетсякомпрессией[23, стр. 11].

Компрессионные свойства грунтов зависят от:

· структуры грунта: раздельнозернистые грунты сжимаются быстрее, а конечные осадки их меньше, чем у глинистых грунтов; в последних процесс сжатия протекает часто очень медленно;

· минерального состава и содержания тонкодисперсной фракции. Наличие минерала монтмориллонита понижает их сжимаемость за счет явления набухания, а наличие органических примесей и органно-минеральных соединений, наоборот, резко увеличивает сжимаемость грунтов;

· типа и характера внутренних связей: чем прочнее связи, тем меньше сжимаемость;

· физического состояния грунта – плотности сухого грунта и естественной влажности: чем выше степень влажности, тем длительнее протекает процесс сжатия глинистых грунтов

· темпа приложения нагрузок, который обуславливает полное или неполное завершение этапов сжатия.

Деформация глинистых грунтов происходит в несколько этапов, а поэтому после приложения нагрузки на грунт проходит некоторое время, прежде чем наступит уплотнение грунта и еще больший промежуток времени потребуется на завершение процесса сжатия при данной ступени нагрузки. Процесс уплотнения глинистых грунтов во времени при постоянной нагрузке называется консолидацией. Длительность этого процесса зависит от: структурной прочности грунта, водопроницаемости, вязкости и ползучести.

Второй характеристикой дисперсных свойств грунтов являетсямодуль деформации Е₀,которыйприменяется при расчетах осадки оснований.

Прочностные свойства: при действии нагрузок на грунт в нем возникают касательные напряжения, стремящиеся сместить одну часть грунта по отношению к другой, что приводит к нарушению прочности основания, либо к потере устойчивости откоса.В обоих случаях условием прочности являетсясопротивление сдвигу, обусловленное силами трения в несвязных грунтах, которые действуют на контактах между частицами. Внутреннее трение зависит от размера, формы, характера поверхности и минерального состава песков, а так же степени их уплотненности. Это сопротивление выражаетсякоэффициентом внутреннего трения f через тангенс угла внутреннего трения.

При инженерно-геологических исследованиях под строительство минского метрополитена были выделены следующие грунты и описаны их свойства и характеристики.

Техногенные (искусственные) образования (ИГЭ- 1, 2).

В насыпных грунтах ИГЭ выделены по преобладающему вещественному составу. Границы между ИГЭ проведены условно, так как проследить закономерность в залегании насыпных грунтов различного состава достаточно сложно. Расчетные значения удельного веса ИГЭ-1 вычислены с доверительной вероятностью 0,85 и 0,95, грунтов ИГЭ-2 приведены при значении коэффициента надежности по грунту.

Насыпные грунты (ИГЭ-1, 2) образованы при планировке территории, прокладке подземных коммуникаций. Встречены практически повсеместно, содержат включения гравия, гальки, битого кирпича (до 5-10%), валунов, иногда следы органического вещества (до 2-4 %, скв. 1041, 1061) и почвенно-растительного грунта.

Мощность насыпных грунтов на участке перегона 0,4-2,6 м, абсолютные отметки подошвы изменяются от 214,57 до 219,04 м. На участках входов в р-не ПК 44 мощность насыпных грунтов 0,8-2,6 м (абс. отм. 216,32-217,93 м), в р-не ПК 42-1,9 м (абс. отм. подошвы 219,04 м, скв. 1031).Давность отсыпки насыпных грунтов более 10 лет, слежавшиеся.

Нормативные и расчетные значения прочностных характеристик глинистых насыпных грунтов ИГЭ-1 приведены по результатам лабораторных испытаний на срез (неконсолидированный при естественной влажности).

Значение модуля деформации E=6,0 МПа грунтов ИГЭ-1 рекомендуется по результатам компрессионных испытаний.Для песчаных насыпных грунтов ИГЭ-2 оценочные значения характеристик механических свойств составляют: угол внутреннего трения -24-30°, модуль деформации 5-17 МПа. При использовании насыпных грунтов в качестве основания, необходимо уточнять их свойства на конкретных участках.

В ходе изысканий для глинистых и биогенных грунтов выполнялись контрольные лабораторные определения частных значений сопротивления срезу τ_i в неконсолидированном (ИГЭ-10-13, 28) и консолидированном (ИГЭ-7, 8. 10-13, 26, 26а) режиме при природной влажности и водонасыщении (ИГЭ-7, 28), которые при статистической обработке укладываются в генеральные выборки по трассе метрополитена. Нормативные значения показателей c и φ при расчетах не изменяются или меняются незначительно[21, стр. 8].

Лессовидные отложения - супеси, суглинки слабые средней прочности и прочные (ИГЭ-7-10).

Супеси ИГЭ-7 (Sr ≤0,7) залегают в верхней части разреза под насыпными грунтами до глубины 2,5-7,0 м (абс. отм. подошвы 209,95-216,28 м) и под почвенно-растительным фунтом Мощность изменяется от 1,5 м до 7,0 м.

При дополнительном водонасыщении грунты ИГЭ-7 быстро размокают и резко ухудшают прочностные свойства.По этой причине неконсолидированный (без предварительного уплотнения) срез этих грунтов при полном водонасыщении выполнить не удалось. При испытаниях происходило выдавливание грунта из кольца прибора при нагрузках 0,05-0,10 МПа

Нормативные и расчетные значения прочностных характеристик грунтов ИГЭ-7 (неконсолидированный срез при природной влажности) приведены по результатам настоящих изысканий, в консолидированном режиме при природной влажности и полном водонасыщении - по результатам ранее выполненных изысканий.

ИГЭ-10 - суглинки прочные на участке тоннеля вскрыты линзами мощностью 0,7-5,6 м с поверхности и на глубине 1,5-3.9 м (абс. отм. кровли 212,35-216,86 м) в слое суглинков средней прочности. Абс. отм. подошвы – 210,08-216,28 м.

На участке входов грунты ИГЭ-10 в р-не ПК 42 вскрыты с поверхности до глубины 3,7-4,2 м(точки 1030, 1029) линзой мощностью 3,7-4,0 м. Абс. отм. подошвы – 216,28-216,99 м.На участке входов в р-не ПК 44 залегают на глубине 0,8-1,5 м (абс. отм. кровли 216,86-217,93 м) единичными линзами мощностью 0,7-1,2 м. Абс. отм. подошвы – 216,16-217,23 м.

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов ИГЭ-10 (неконсолидированный срез при природной влажности) приведены по результатам лабораторных испытаний на срез, выполненных ранее, расчетные вычислены с доверительной вероятностью 0,85 и 0,95, в консолидированном режиме.

Для изучения деформационных свойств супесей ИГЭ-7, 10 выполнены компрессионные испытания при естественной влажности и полном водонасыщении. Коэффициенты снижения значений модуля деформации при дополнительном водонасыщении – 1,5 и 1,8 соответственно (таблица 2).

Таблица 2 – Результаты определения характеристик сжимаемости грунтов ИГЭ-1, 7-12 [21, стр. 19]

ИГЭ, грунт	Условия испытания	Статис-тика	Модуль деформации Е, МПа	Коэффициент сжимаемости m ₒ, МПа¯¹
в интервале давлений, Мпа
0,1-0,2	0,2-0,3	0,1-0,2
Техногенные (искусственные образования)
ИГЭ-1. Насыпной грунт глинистый	При природной влажности	n
min	4,0	6,9
max	8,4	16,3
x	6,0	10,4	0,1890
Лессовидные отложения
ИГЭ-7. Суглинок средней прочности и прочный (Sr≤0,7)	При природной влажности	n
min	4,6	7,1	0,0480
max	23,2	23,2	0,2700
x	10,6	12,8	0,1518
ИГЭ-7. Суглинок средней прочности и прочный (Sr≤0,7)	При полном водонасы-щении	n
min	1,9	3,0	0,0890
max	10,4	15,7	0,5610
x	5,7	8,6	0,3308
ИГЭ-8. Суглинок слабый	При природной влажности	n
min	2,6	3,9	0,2190
max	4,2	7,5	0,3620
x	3,4	5,6	0,2892
ИГЭ-9. Суглинок средней прочности	При природной влажности	n
min	3,5	5,2	0,1260
max	8,7	14,4	0,2760
x	5,5	8,2	0,1982
ИГЭ-10. Суглинок прочный	При природной влажности	n
min	6,3	10,3	0,0095
max	12,3	17,2	0,1620
x	10,2	14,0	0,0812
При полном водонасы-щении	n
min	3,9	6,9	0,0152
max	6,5	9,5	0,2210
x	5,3	7,9	0,1384

Нормативные значения модуля деформации супесей ИГЭ-7 и суглинков ИГЭ-10 приведеныпо результатам компрессионных испытаний.

По результатам лабораторных определений супеси, суглинки ИГЭ-7-10 непросадочные.

Суглинки слабые ИГЭ-8 залегают на участке тоннеля на глубине 0,5-3,5 м (абс отм.кровли 212,90-215,89 м, подошвы – 211,00-214,89 м) в форме линз и прослоев мощностью 0,9-3,3 м

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов ИГЭ-8 (неконсолидированныйсрез) и суглинков ИГЭ-9 (консолидированный и неконсолидированный срез) приведены по результатам лабораторных испытаний, для грунтов ИГЭ-8 в консолидированном режиме - по результатам ранее выполненных изысканий (таблица 3), расчетные вычислены с доверительной вероятностью 0,85 и 0,95.

Таблица 3 – Обобщенные значения прочностных характеристик грунтов ИГЭ-8,9, 11а, 26а по результатам лабораторных испытаний [21, стр. 17]

ИГЭ, грунт	Статис-тика	Сопротивление срезу τᵢ 10⁵ Па при P, МПа	c, кПа	tgφ	φ, град
0,025	0,05	0,075
τ	lg(τ *100)	τ	lg(τ *100)	τ	lg(τ *100)
Неконсолидированно-недренированный срез при природной влажности
ИГЭ-8. Суглинок слабый	n
min	0,1	1,90	0,15	2,00	0,15	2,11
max	0,43	2,74	0,50	2,88	0,53	3,02
x	0,2	2,29	0,27	2,44	0,32	2,51		0,257
σ		0,166		0,151		0,15	2,312	0,043
v		0,07		0,06		0,06	0,17	0,17
ИГЭ-11а. Суглинок слабый	n
min	0,1		0,15	2,18	0,15	2,18
max	0,3	2,48	0,35	2,54	0,38	2,58
x	0,2	2,32	0,23	2,36	0,28	2,46		0,156
σ		0,195		0,156		0,163
v		0,08		0,07		0,07
ИГЭ-26а. Супесь слабая		Сопротивление срезу τᵢ 10⁵ Па при P, МПа
	0,05	0,10	0,15
	τ	lg(τ *100)	τ	lg(τ *100)	τ	lg(τ *100)
n
min	0,2	0,18	0,20	0,3	0,25	0,46
max	0,45	0,65	0,48	0,68	0,75	0,88
x	0,31	0,49	0,34	0,54	0,44	0,65		0,133
σ		0,126		0,116		0,167
v		0,26		0,22		0,26

 

Продолжение таблицы 3

ИГЭ-9. Суглинок среднейпроч-ности		Сопротивление срезу τᵢ 10⁵ Па при P, МПа
	0,1	0,20	0,3
	τ	lg(τ *100)	τ	lg(τ *100)	τ	lg(τ *100)
n
min	0,2		0,30	2,3	0,20	2,48
max	0,9		1,2	3,08	1,4	3,43
x	0,47	2,67	0,71	2,85	0,91	2,96		0,221
σ		0,201		0,182		0,142	8,75	0,044
v		0,08		0,06		0,05	0,32	0,2

 

Деформационные свойства суглинков слабых и средней прочности (ИГЭ-8, 9) оценивались прямыми полевыми испытаниями - штампом.

При испытании во всех опытах достигнут предел пропорциональности: для грунтов ИГЭ-8 при давлении 0,225-0,300 МПа, для суглинков ИГЭ-9 при давлении 0,175-0,325 МПа

Результаты компрессионных испытаний (в интервале давлений 0,2-0,3 МПа) суглинков слабых (ИГЭ-8) согласуются с ранее выполненными испытаниями штампом.

В качестве нормативного значения модуля деформации для суглинков ИГЭ-8, 9 рекомендуются средние значения – 5,5 и 8,8 МПа соответственно по результатам испытаний штампом[21, стр. 9].

Озерно-аллювиально-6олотные отложения ИГЭ-6, 6а, 11а, 11-13.

Ограничены в распространении. Залегают под лессовидными отложениями на глубине 4,6-6,5 м (абс. отм. 209,95-211,38 м). Мощность отложений 6,3-8,9 м, абс. отм. подошвы 201,05-205,101 м.

Представлены суглинками слабыми ИГЭ-11а, суглинками средней прочности (ИГЭ-11 мощность 0,6-4,1 м), суглинками с примесью органического вещества ИГЭ-12 (I_om до 2-9%, мощность 0,4-2,3 м),песками средними средней прочности и прочными (ИГЭ-6, 6а) мощность песков 0,5-2,3 м.

Нормативные значения прочностных характеристик и модуля деформации грунтов (ИГЭ-6, 6а)приведены на основании результатов зондирования.

На глубине 6,5-10,4 м (абс. отм. 206,34-209,41 м) вскрыты линзы погребенного торфа (ИГЭ-13) мощностью 1,7-3,1 м (глубина залегания подошвы 8,8-12,9 м, абс. отм. 203,55-207,1 м).

Суглинки слабые ИГЭ-11а залегают на глубине 5,0-6,5 м (скв.1063, 1062, абс. отм. кровли 209,95-210,74 м, а подошвы – 209,05-209,24 м) в форме линз мощностью 0,9-1,5 м.

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов ИГЭ-11а в неконсолидированном режиме приведены по результатам лабораторных испытаний на срез.

Суглинки ИГЭ-12 вскрыты на глубине 5,7-12,9 м (скв.1063, 1034, 1035, 1062, абс. отм. кровли 203,55-210,21 м, а подошвы – 209,05-209,24 м) в форме линз мощностью 0,4-2,3 м.

Нормативные значения модуля деформации грунтов (ИГЭ-13)рекомендованы по результатам испытаний штампом, суглинков слабых (ИГЭ-11а) – по результатам компрессионных испытаний [21, стр. 10].

Элювиально-делювиальные супеси средней прочности и прочные (ИГЭ-14) залегают локально в форме маломощных линз и прослоев (0,3-1,3 м) на кровле флювиогляциальных и моренных отложений на глубинах 2,1-4,5 м (абс. отм. 210,75-216,28 м),абс. отм. подошвы 209,85-215,28 м.

Нормативные значения прочностных характеристик грунтов ИГЭ-14 приведены по результатам лабораторных испытаний на срез, значение модуля деформации –по результатам испытаний штампом.Расчетные значения прочностных характеристик вычислены с доверительной вероятностью 0,85 и 0,95

Песчаные грунтыфлювиогляциальных и моренных отложений сходные по гранулометрическому составу и прочности рассматриваются совместно.

По результатам зондирования классифицируются как грунты средней прочности (ИГЭ-19) и прочные (ИГЭ-16, 17, 21, 25, 29а). Не имеют повсеместного распространения. Залегают в форме линз и карманов (ИГЭ-29а) в моренных супесях.

Нормативные и расчетные значения удельного веса водонасыщенных песков (ИГЭ-29а) приведены с учетом взвешивающего действия воды.

Нормативное значение модуля деформации песчаных грунтов (ИГЭ-16, 17, 19-21, 25, 29а) приведены по результатам испытаний штампом, прочностные характеристики приняты на основании результатов зондирования.

Расчетные значения прочностных характеристик для всех песчаных грунтов приняты при значениях коэффициента надежности по грунту: для расчетов оснований по деформациям 1, по несущей способности – для удельного сцепления 1,5, для угла внутреннего трения 1,1 [21, стр. 10].

Моренные супеси имеют преобладающее распространение в разрезе.

Кровля их зафиксирована как споверхности, так и под всеми вышеперечисленными отложениями, погружаясь до абс. отм. 199,78-205,01 м (глубина 10,9-17,1 м) в р-не ПК 42.

Наиболее распространены супеси прочные и очень прочные (ИГЭ-27,29).

Супеси слабые (ИГЭ-26а) встречены единичной линзой мощностью 0,5 м (абс отм подошвы 210,53 м) на участке входов а р-не ПК 44 (скв. 1045) на глубине 7,7 м.

На участке перегона супеси средней прочности (ИГЭ-26) залегают отдельными линзами, как правило, выше лотка тоннеля.

Нормативные значения прочностных характеристик глинистых грунтов ИГЭ-27-29 (неконсолидированный и консолидированный срез при природной влажности) приведены по результатам лабораторных определений, для супесей ИГЭ-28 также и при водонасыщении до Sr= 0,8-1,0. Расчетные значения вычислены с доверительной вероятностью0,85и 0,95

Нормативные значения прочностных характеристик супесей ИГЭ-26а, 26 (неконсолидированный срез) приведены по результатам лабораторных определений, в консолидированном режиме –по ранее выполненным изысканиям. Расчетные значения вычислены с доверительной вероятностью 0,85 и 0,95 (ИГЭ-26), для грунтов ИГЭ-26а - по ТКП.

В качестве нормативного модуля деформации для супесей ИГЭ-26а, 26-29 рекомендуются средние значения по результатам испытаний штампом.

Для супесей слабых (ИГЭ-26а) давление 0,250 МПа - предел пропорциональности.

Для супесей ИГЭ-28 в водонасыщенном состояниизначение модуля деформации принято с учетом коэффициента снижения k= 1,4, полученного но результатам компрессионных сопоставительных испытаний супесей при Sr =0,3-0,7 и после замачивания до Sr =0.8-1,0 в интервале давлений 0,2-0,3 МПа [21, стр. 10].