Статья посвящена трудностям, возникающим при строительстве из-за сложных инженерно-геологических условий территории Нижнекамского промышленного узла, где широко развиты элювированные песчаники уржумского яруса. Проанализированы их структура и свойства, отличающие их от обычных песков и вызывающие непредсказуемое поведение оснований. Проведены полевые испытания методом статического зондирования, установлены корреляции с физико-механическими характеристиками и предложен подход к оценке несущей способности свай в подобных грунтах.
Проектирование свайных фундаментов основывается на определении несущей способности сваи, которая может быть установлена либо на основании расчета согласно СП 24.13330 по данным физических характеристик слагающих разрез грунтов, либо с использованием данных статического зондирования грунтовых массивов. Для ответственных сооружений значение несущей способности свай может быть определено на основании натурных испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой.
При этом, согласно таблицам СП 24.13330, значения сопротивлений по лобовой и боковой поверхности сваи, находящейся в песчаных грунтах, зависят только от их гранулометрического состава и коэффициента пористости.
Подобный расчет может быть применим для природных и техногенных песков, не обладающих связностью и не имеющих сколь-нибудь существенных структурных связей.
Рис. 1. Расположение Нижнекамской промышленной зоны
Сосредоточенный здесь мощный инновационный потенциал предполагает дальнейшее увеличение территории за счет строительства новых сопутствующих нефтехимической отрасли предприятий и объектов социальной значимости. Несмотря на высокую степень инженерно-геологической изученности местности, строительные работы в пределах Нижнекамского промышленного узла постоянно сталкиваются с различными трудностями, особенно на этапе возведения фундаментов. В основном это связано со сложными инженерно-геологическими условиями территории, что обусловлено частым переслаиванием в разрезах пород различного состава и возраста, наличием элювиальных грунтов, залегающих на произвольных глубинах, наличием водоносных горизонтов подземных вод. Из всего перечисленного наибольшие проблемы при строительстве доставляют элювиальные песчаники уржумского яруса, имеющие повсеместное распространение на территории Нижнекамского промышленного узла. При инженерно-геологических изысканиях в большинстве случаев этот слой песчаника выбирается в качестве основного несущего грунта, на который опираются сваи-стойки. Как было указано выше, проектировщики часто сталкиваются с серьезным несоответствием между расчетной несущей способностью и ее реальным значением. Другой проблемой является то, что после забивки свай и дальнейшего нагружения часто наблюдаются дополнительные оседания песчаного грунта под нижнем концом свай.
Элювиальные песчаники являются продуктом выветривания коренных осадочных пород казанского и уржумского ярусов пермской системы и не представлены ни на каких картах и не выделены на стратиграфической шкале. Это создает серьезные трудности всем изыскателям, работающим в данном регионе, т.к. часто бывает крайне затруднительно отличить элювиальный грунт от невыветрелой материнской породы как в процессе проведения полевых работ, так и при лабораторном изучении.
Исследования авторов выявили, что в профиле выветривания основную часть занимают не элювиальные пески, обладающие, как правило, рыхлым сложением, и поэтому легко смываемые, а так называемые элювированные песчаники, слагающие массивы коры выветривания, в которых породы претерпели процессы химического или физического выветривания, но сохранили при этом текстурные признаки, свойственные исходной материнской породе. Именно с этими песчаниками, часто путаемых с песками, имеют дело изыскатели и проектировщики.
На рисунке 2 показаны примеры массивов элювированных песчаников в различных частях Республики Татарстан.
Рис. 2. Фото обнажений песчаников на территории Республики Татарстан
Песчаники зоны Б сохранили первичную косослоистую текстуру (рисунок 3), что не позволяет считать их классическим элювием. В пределах этой зоны из песчаников практически полностью выщелочен кальцитовый цемент. Его фрагменты отмечаются в локальных участках породы на контактах соприкасающихся зерен минерального скелета. В отличие от исходного песчаника, у которого обломки горных пород и минералов не соприкасаются между собой, а «плавают» в кальцитовом цементе, в зоне выщелачивания обломочные зерна контактируют друг с другом боковыми поверхностями.
За счет постепенного сближения зерен у них сформировались точечные контакты с механическим типом связи, чему в немалой степени способствовали шероховатость частиц кремнистых и эффузивных горных пород и угловатость кварцевых зерен. Одновременно с перемещением минеральных обломков произошло перераспределение глинистого материала. Инфильтрующиеся воды, смачивая глинистые минералы, способствовали их агрегированию и вторичной аккумуляции либо на контактах минеральных частиц, либо на шероховатых поверхностях обломков горных пород.
Таким образом, в песчаниках сформировались, наряду с механическим, и коагуляционные типы контактов. Глинистые агрегаты, обладая высокой сорбционной активностью, осаждали на поверхности из поровых растворов коллоидные соединения гидроксидов железа. Со временем, по мере «старения» коллоидов гидроксиды преобразовались в гематит, увеличивая силу структурных связей между минеральными частицами в породе. Оптико-микроскопические исследования разуплотненных песчаников показали, что в пределах всего разреза породы характеризуются рыхлой структурной упаковкой. Минеральные частицы скелета взаимодействуют друг с другом через точечные контакты и мостики из глинистых агрегатов. За счет слабых структурных связей терригенные породы зоны выщелачивания легко рассыпаются при незначительном механическом воздействии.
Рис. 3. Косослоистая текстура элювированных песчаников
Учитывая значительную неоднородность свойств элювиальных грунтов, трудность качественного отбора проб грунта надлежащего качества для лабораторных исследований, перспективным представляется использование полевых методов исследований, наиболее популярным и доступным из которых является статическое зондирование. Главным препятствием использования этого метода является отсутствие корреляционных зависимостей между параметрами зондирования и физико-механическими свойствами грунтов.
Авторами было проведено исследование, направленное на установление возможности использования метода статического зондирования для оценки несущей способности свай, погруженных в элювиальные песчаники.
В качестве опытной площадки была выбрана территория проектируемой промышленной установки крупного нефтеперерабатывающего завода в г. Нижнекамск.
В геолого-литологическом строении площадки на вскрытую скважинами глубину до 30 м принимают участие элювиальные среднепермские отложения (песчаники и глины), перекрытые техногенными грунтами. Инженерно-геологический разрез площадки с расположением испытываемых свай показан на рисунке 4. В качестве оснований свай для почти всех сооружений были приняты элювиальные среднепермские песчаники. При этом несущая способность свай была рассчитана как на основании физико-механических характеристик, определенных в лабораторных условиях, так и на основании данных статического зондирования в соответствии с действующими строительными нормами и правилами. Однако после пробной забивки и испытаний свай статической нагрузкой, оказалось, что около половины свай показали несущую способность ниже расчетной на 25÷40 % (Таблица 1). Подобного рода несоответствия являются весьма частыми в практике возведения объектов на территории Нижнекамского промышленного узла, особенно в тех случаях, когда основаниями свай являются песчаники зоны бесструктурного элювия.
Рис. 4. Инженерно-геологический разрез с расположением испытываемых свай: 1а- насыпные грунты, 7в – элювиальные песчаники
Таблица 1. Значения частных предельных значений сопротивления свай Fd
Рис. 5. Экспериментальные (синие линии) и нормативные (красные линии) зависимости модуля деформации Е (А) и угла внутреннего трения (Б) от удельного лобового сопротивления зондированию q
Видны существенные расхождения с нормативными значениями, особенно для модуля деформации. Несмотря на наличие отдельных высоких значений удельного лобового сопротивления до 27 МПа, максимальное значение модуля деформации не превышает 18 МПа. С этим и связано, скорее всего, существенное превышение осадок свай в песчаных песчаниках над ожидаемыми значениями осадок.
Выполненное исследование показало актуальность рассматриваемой задачи. Элювиальные грунты имеют широкое распространение и встречаются практически на всех континентах. При этом вследствие труднопредсказуемого характера выветривания при образовании элювиальных грунтов, а, следовательно, высокой переменчивости их свойств, проектирование сооружений на таких грунтах всегда сопряжено с серьезными трудностями.
Сотрудники ООО «КазГеоЛаб» продолжают исследования в данной области проводя работы по научно-техническому сопровождению инженерно-геологических изысканий. В ближайшей перспективе проведение статического зондирования грунтов в непосредственной близости от забитой сваи, исследование зон возможной трещиноватости вокруг сваи и др.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку