Комплексные исследования структурной прочности лессовых грунтов приобского плато
| Вид материала | Автореферат |
- Механика грунтов Общая трудоемкость дисциплины, 26.44kb.
- Ения грунтов с использованием неорганических вяжущих материалов применяется в строительстве, 52.55kb.
- Микроцемент, особо тонкодисперсное минеральное вяжущее, 66.71kb.
- Е. В. Ростов Методологические аспекты управления структурной перестройкой экономики, 294.46kb.
- Мультипрайм исследования Candida, 33.71kb.
- Технические характеристики гусеничного бульдозера shantui sd16, 56.18kb.
- Вопросы к государственному экзамену для студентов специальности 020304 – гидрогеология, 86.13kb.
- Основой маркетинга являются комплексные маркетинговые исследования, 243.67kb.
- Xlvi международная конференция «Актуальные проблемы прочности», 573.08kb.
- Инженерные методы улучшения свойств грунтов, 142.51kb.
На правах рукописи
ОСИПОВА МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНОЙ
ПРОЧНОСТИ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ
ПРИОБСКОГО ПЛАТО
Специальность 25.00.08 «Инженерная геология, мерзлотоведение и
грунтоведение»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Барнаул – 2007
Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова.
| Научный руководитель | - доктор геолого-минералогических наук, профессор, член-корреспондент Российской Академии архитектуры и строительных наук Швецов Геннадий Иванович |
| Официальные оппоненты | - доктор геолого-минералогических наук, профессор Щербак Геннадий Гаврилович - кандидат геолого-минералогических наук Осьмушкин Владимир Степанович |
| Ведущая организация | - Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул |
Защита диссертации состоится 30 мая 2007 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.02 в Томском государственном
архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, Томск,
площадь Соляная, 2, факс (8-383-2) 65-24-71.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «23 » апреля 2007 г.
У
ченый секретарьдиссертационного совета О.И. Недавний
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Все возрастающие темпы строительства, освоение новых территорий, реконструкция зданий и сооружений, возведение объектов повышенной этажности, сложной конфигурации в плане с разнообразными видами техногенных нагрузок на грунты основания, приводят к нарушению природного равновесия и образованию новой экосистемы, которая в дальнейшем,как правило, отрицательно влияет на геологическую среду. Надежное прогнозирование изменений геологической среды под влиянием техногенных нагрузок возможно только на основании результатов комплексных исследований грунтов и, в первую очередь, их прочностных и деформационных свойств, характерных для лессов и лессовидных грунтов.
Одной из особенностей лессовых грунтов Приобского Плато юга Западно-Сибирской плиты, является широкое распространение на указанной территории І, реже II типа грунтовых условий по просадочности, что диктует необходимость изучения их структурно-текстурных особенностей и физико-механических свойств с учетом специфики региона.
Несмотря на многочисленные исследования, выполненные в данной области, до настоящего времени остаются нерешенными проблемы не только влияния различных факторов на величину структурной прочности лессовых грунтов, но и недостаточно четко определяется нижняя граница сжимаемой толщи грунтов основания сооружений, ее расчет ведется без учета структурных особенностей грунтов региона.
Данная работа поддержана грантом в 2006 г. по программе «Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу (Ползуновские гранты)».
Целью работы является комплексное изучение структурной прочности лессовых грунтов Приобского плато, как интегрального показателя деформируемости и устойчивости грунтовых оснований.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести комплексные инженерно-геологические исследования и выявить особенности формирования структурной прочности лессовых грунтов региона.
- с применением растрового электронного микроскопа изучить структуру лессовых грунтов и ее изменение при их деформировании в условиях компрессионного сжатия.
- провести экспериментальные исследования и установить влияние состава, состояния и физико-механических свойств лессовых грунтов на их структурную прочность.
- разработать региональную инженерно-геологическую классификацию лессовых грунтов и рекомендации по использованию структурной прочности при определении величины сжимаемой зоны при расчете осадок грунтовых оснований.
Методы исследований.
Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на полевых, лабораторных и теоретических исследованиях лессовых грунтов Приобского плато (на примере г. Барнаула), проведенных автором в течение нескольких лет.
Деформационные и прочностные характеристики лессовых грунтов определялись с использованием автоматизированной системы инженерно-строительных изысканий АСИС-18/4, а так же по стандартным методикам на компрессионных приборах КПр1 системы «Гидропроект» и в односрезном плоскостном приборе ГГП-30.
Микроструктурные характеристики лессового грунта изучались на комплексе растровой электронной микроскопии РЭМ-микро ЭВМ.
Обработка результатов экспериментальных исследований, изменения прочностных и деформационных характеристик, а также уравнения регрессии и корреляционные зависимости структурной прочности получены с использованием программ «Microsoft Excel», «Mathcad - 2006» и «Microcal Origin» Microcal Software, Inc.
Исходные данные и личный вклад автора.
В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период с 1999 по 2007 гг.
Диссертационная работа выполнялась в составе научного коллектива кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) по научно-исследовательской работе «Разработка концептуальных положений мониторинга изменения свойств грунтов оснований с учетом техногенных воздействий» (УДК 624.157.31 № госрегистрации 0120.0503514) и по программе «Ползуновские гранты» по теме «Расчет осадки фундаментов зданий и сооружений с учетом структурной прочности лессовых оснований» (2006 г.).
Все исследования, выводы выполнены и получены на основе личного участия автора. Автором выявлены корреляционные зависимости между структурной прочностью и физико-механическими характеристиками лессовых суглинков и супесей. На основании проведенных исследований составлена региональная таблица и разработаны рекомендации по учету структурной прочности при проектировании оснований зданий и сооружений.
Научная новизна:
- впервые на основе экспериментальных и теоретических исследований дана комплексная оценка структурной прочности лессовых грунтов региона;
- выявлены корреляционные зависимости между структурной прочностью и физико-механическими характеристиками лессовых грунтов;
- разработана региональная инженерно-геологическая классификация лессовых грунтов;
- впервые для региона даны рекомендации по использованию структурной прочности при расчетах границы сжимаемой толщи для оценки осадок грунтовых оснований.
Реализация и практическая ценность работы.
Полученные результаты исследования по оценке структурной прочности грунтов имеют важное практическое значение и используются при обосновании границы сжимаемой толщи при проектировании фундаментов возводимых на лессовых грунтах.
Результаты исследований используются в Алтайском государственном техническом университете им И.И. Ползунова при чтении лекций для студентов строительно-технологического факультета по дисциплинам «Основы научных исследований»; «Механика грунтов» и при выполнении курсового и дипломного проектирования.
На защиту выносятся:
- Выявленные особенности состава и состояния лессовых грунтов оказывающие наибольшее влияние на их структурную прочность, влажность, плотность, пористость, удельное сцепление.
- Закономерности изменения структуры лессовых грунтов выявленные в процессе их деформирования в условиях компрессионного сжатия.
- Региональная инженерно - геологическая классификация лессовых грунтов разработанная с использованием структурной прочности.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия» (г. Барнаул, 1999), на региональной научно-практической конференции «300 лет горно-геологической службе России: история горно-рудного дела, геологическое строение и полезные ископаемые Алтая» (г. Барнаул, 2000), на 59-ой научно-технической конференции «Научно-техническое творчество молодежи» (г. Барнаул, 2002), на Международной научно-практической конференции «Гуманизм и строительство. Природа, этнос и архитектура» (г. Горно-Алтайск, 2003), на 11-ом Всероссийском слете студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса «Ползуновские гранты» (г. Владимир, 2006) и на научных семинарах кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ (г. Барнаул, 1999 - 2006).
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ, в том числе статья в Вестнике Алт ГТУ им И. И. Ползунова входившем в перечень журналов утвержденных ВАК до 31 декабря 2006 г.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 113 страниц, в том числе 18 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 135 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Г.И. Швецову; сотрудникам АлтГТУ за помощь, деловые советы, консультации и дискуссии: И.В. Носкову, Б.М. Черепанову, Т.А. Горбуновой, Е.И. Вяткиной, Б.Ф. Азарову, Н.Я. Тейхреб, И.В. Карелиной и др.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности и практической ценности работы, сформулированы цель и задачи исследований, защищаемые положения, научная новизна и ее апробация.
В первой главе рассматривается современное представление о структуре грунтов и основных факторах влияющих на изменение структурной прочности лессовых грунтов.
В современном представлении структура грунтов определяет важнейшие их качества, которые отражают условия их формирования и определяют физические, механические и другие свойства. Благодаря этому изучение структуры грунтов началось практически с самого основания грунтоведения и механики грунтов. Большой вклад в исследование структур грунтов внесли А. Казагранде, М.М. Филатов, В.И. Осипов, В.В. Охотин, И.В. Попов, Е.М. Сергеев, В.Т. Трофимов, А.К. Ларионов, В.Н. Соколов, Дж. Митчелл, Г.Р. Миркин, М.Д. Толкачев, Б. Гробовская-Ольшевская, А.Н. Заварицкий, Д.С. Штейнберг, П.И. Фадеев, Т. Г. Рященко, В.В. Акулова, А.В. Ван, и многие другие. Без учета структурных особенностей невозможно объективно рассматривать вопросы формирования и природы прочностных и деформационных свойств различных грунтов, разрабатывать физические модели грунтов и описывать их поведение под нагрузками.
При выделении структур грунтов в геологии сложились два основных подхода - морфометрический и энергетический. Наибольшее признание получил морфометрический метод, в котором в понятие «структура» положены морфометрические особенности структурных элементов и их соотношение.
При энергетическом подходе за основу понятия структуры берутся такие ее признаки, как характер взаимодействия структурных элементов и энергия всей структуры в целом, что нашло наибольшее отражение в физико-химической механике дисперсных систем. Здесь структуры подразделяются по характеру контактных взаимодействий.
Структуры пород, и в частности лессовых просадочных супесей и суглинков, являются чуткими индикаторами условий образования и их дальнейшего преобразования. В дисперсных отложениях, к которым относятся лессовые грунты, механические свойства в значительной степени зависят от прочности структурных связей между отдельными минеральными частицами. Природа этих связей сложна, многообразна и определяется по Н.А. Цытовичу "комплексом действующих в грунтах внешних и внутренних энергетических полей, в основе которых лежат молекулярные силы электромагнитной природы". Структурные связи рассматриваются специалистами в области инженерной геологии как неотъемлемая часть структуры.
Изучение структурных связей и контактных взаимодействий структурных элементов дисперсных пород можно производить прямыми и косвенными методами. Прямые методы количественного определения прочности структурных связей основаны на прямом измерении прочности индивидуальных контактов между частицами дисперсной породы. К косвенным относятся методы, которые позволяют судить о типе и прочности контактов на основе опытов на одноосное растяжение образцов дисперсного грунта, определения сопротивления сдвигу, контактной прочности, анализа компрессионных кривых и т.д.
При строительстве грунты подвергаются различным воздействиям, основными из них являются механические воздействия от статических и динамических нагрузок, создаваемых сооружениями. При этом химический и минералогический состав пород практически не изменяется, зато структура грунта претерпевает разнообразные изменения.
Главным фактором, контролирующим деформационное и прочностное поведение глинистых грунтов, является характер структурных связей, от которых зависит не только величина сжимаемости, но и характер этого процесса. Исследования многих ученых доказывают, что судить об основных механических показателях лессовых суглинков и супесей можно лишь при комплексном изучении их состава, структуры, текстуры и физико-механических свойств.
Исследования Я.Д. Гильмана образцов лессового суглинка показали, что наиболее существенно при увлажнении грунта изменяется величина сцепления, которая обусловлена, в основном, наличием цементационных связей. Существенное уменьшение величины удельного сцепления и угла внутреннего трения при увеличении влажности лессовых пород подтверждается данными Я.Е.Шаевича, Н.Н. Комиссаровой, А.А. Мустафаева, Г.А. Мавлянова и др. авторов. Г.И. Швецовым была установлена тесная корреляционная зависимость значений с, и коэффициентов пористости лессовых суглинков Приобского плато. Полученные им результаты свидетельствуют, что с увеличением коэффициента пористости величины прочностных характеристик лессовых суглинков уменьшаются, но степень их уменьшения различна.
Е.М.Сергеев отдавая главенствующую роль структурно-текстурным особенностям глинистых грунтов и их влиянию на физико-механические свойства, отмечает значительное влияние минерального состава, которое проявляется через размер, форму и гидрофильность частиц. Так, наименьшим сопротивлением сдвигу и наибольшей сжимаемостью обладают Na-монтмориллонитовые глины, т.к. с ростом дисперсности и гидрофильности возрастает их пористость. Хотя высокая дисперсность способствует значительному увеличению сил молекулярного притяжения, однако существует предел «положительной роли» дисперсности, за которым следует снижение прочности породы.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что многообразие лессовых грунтов требует детального изучения прочностных и деформационных характеристик с учетом их специфических региональных особенностей.
Во второй главе рассматриваются инженерно-геологические особенности лессовых пород Приобского плато.
Приобское Плато является одной из территорий, которую по распространению лессовых отложений и характеру их просадочности В.Т. Трофимов, Я.Е. Шаевич выделили в отдельную область в пределах Западно-Сибирской плиты. Это область преимущественного развития озерно-аллювиальных верхнее-плеоцен-четвертичных отложений.
Исследованию условий формирования, состава и свойств лессовых пород Приобского плато посвящены работы Я.Е. Шаевича, Ф.А. Никитенко, Е.В. Трепетцова, М.И. Кучина, А.С. Герасимовой, Г.А. Сулакшиной, Г.И. Швецова, В.Т.Трофимова, В.С. Арефьева, Т.А. Горбуновой, А.Я. Швецова, Ф.С. Тофанюк, В.И. Шарова, В.И. Циунчик, Н.И. Барац, М.И. Мещериной, В.Е. Михайлова, С.И. Черноусова, В.С. Осьмушкина, А.В. Вана и др.
Исследуемые лессовые породы являются первичными отложениями различных циклов осадконакопления, прошедшие через процессы диагенеза. Отсюда однородность минералогического состава просадочных и нижележащих пород, цикличность их образования.
Наибольший интерес для исследований имеют породы верхней краснодубровской подсвиты (Q3krd3), которые служат основанием зданий и сооружений. Гранулометрический состав суглинков характеризуется высоким содержанием пылеватых частиц (66-72%), меньшим содержанием глинистых (16-30%) и еще меньшим песчаных частиц (15-17%). Лессовые супеси содержат глинистых частиц не более 6-8%. Все разности лессовых пород региона сильно агрегированы.
Минералогический состав лессового грунта для фракции 0,25-0,05 мм представлен кварцем, полевым шпатом, небольшим количеством зерен эпидота, роговой обманки, апатита; для глинистых фракций характерна гидрослюда, гидрослюдистомонтмориллонитовые образования, в качестве примесей - каолинит и монтмориллонит.
Лессовые породы слабозасоленные, содержание карбонатов около 3,5%, общее количество водорастворимых солей 0,1-0,2%, водородный показатель /рН/ 6,8-7,9 и характеризует слабощелочные условия.
Естественная влажность лессовых пород колеблеца в пределах от 2 до 25%.
Прочностные показатели грунтов изменяются: для суглинков - угол внутреннего трения 21-23°, удельное сцепление - 0,016-0,036 МПа; для супесей - соответственно 19-24° и 0,016-0,026 МПа. Модуль общей деформации изменяется от 1,7 до 12,1 МПа. При замачивании удельное сцепление и модуль общей деформации уменьшаются в 2-4 раза, угол внутреннего трения - на 3-5°.
На основании анализа инженерно-геологических особенности лессовых грунтов Приобского плато можно выделить следующие:
1. Мощность лессовых просадочных грунтов изменяется в пределах от 3-4 м до 10-15 м. Наиболее распространенными грунтами лессовых пород Приобского плато являются суглинки, реже – супеси.
2. По просадочности исследуемые толщи относятся в основном к I типу и реже ко II.
3. В условиях континентального климата Сибири многократное сезонное промораживание лессовых пород приводит к их разуплотнению, образованию макропористой структуры. Процессы криогенного разуплотнения происходят особенно активно, если влажность лессовых грунтов выше влажности на границе раскатывания.
Анализируя отмеченные инженерно-геологические особенности необходимо отметить, что на формирование структурной прочности лессовых грунтов первостепенное влияние оказывают минералогический, химический, микроагрегатный, гранулометрический состав, состояние и физические свойства грунтов.
Для оценки влияния перечисленных факторов на формирование структурной прочности лессовых грунтов были проведены исследования, включающие изучение структуры лессовых грунтов с применением растрового электронного микроскопа (РЭМ) и автоматизированного анализа с помощью комплекса РЭМ - микроЭВМ, детальное изучение состава, в том числе микроагрегатного, ее состояния, физических и прочностных свойств.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям структурной прочности лессовых грунтов Приобского плато.
Для получения наиболее достоверных результатов исследования лессовых грунтов было выбрано 6 площадок. В геоморфологическом отношении все исследуемые площадки расположены на Приобском Плато сложены лессовыми суглинками и супесями. На экспериментальных площадках были отобраны образцы грунта ненарушенной структуры. Грунт отбирался методом режущего кольца со дна и стенок шурфов, отрытых вручную до глубины 1,5-2,5 м. С глубины 2,5 м до 15 м. грунт отбирался в процессе бурения скважин в виде монолитов монолитов грунта. Бурение выполнялось вращательным способом установкой УГБ -1 ВС с применением грунтоносов диаметром 127 мм. Отбор монолитов грунта производился геологической бригадой треста «АлтайТИСИЗ» и поставлялись в лабораторию кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ.
Определение прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов проводилось по стандартным методикам согласно ГОСТ 12071-2000. «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование, хранение образцов», ГОСТ 12248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости», ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
Для определения структурной прочности pstr испытание грунта проводилось методом компрессионного сжатия. По полученным данным строились компрессионные кривые. Было проанализировано более 250 компрессионных кривых лессовых суглинков и супесей.
Все компрессионные кривые имели идентичное очертание – криволинейное с начальным участком, отличающимся незначительным приращением деформаций с ростом вертикальных давлений.
Указанные особенности компрессионных кривых лессовых грунтов отмечались в работах Ю.М Абелева, В.И. Осипова, Г.И Швецова. Они обусловлены наличием у лессовых грунтов прочных структурных связей. Пока внешняя нагрузка не превышает прочность структурных связей грунта, деформации образца незначительные. Как только действующее давление превышает прочность структурных связей – структурную прочность грунта, деформации образца увеличиваются.
Математическая аппроксимация компрессионных кривых выполнялась на основе статистического обобщения результатов компрессионных испытаний твердых, полутвердых, тугопластичных лессовых суглинков и твердых и пластичных лессовых супесей. Все уравнения описывались степенной зависимостью с коэффициентом корреляции R близким к единице (R = 0,96-0,99). Полученные корреляционные уравнения использовались для определения точек перегиба графиков, т.е. предела структурной прочности лессовых грунтов рstr. Для этого брали вторую производную полученных корреляционных уравнений и приравнивали ее к нулю, после чего были получены корни решений этих дифференциальных уравнений. Первый корень соответствует величине рstr. На основании выполненных работ были построены графики зависимости между структурной прочностью и физико-механическими характеристиками исследуемых грунтов (рисунки 1, 2). По результатам исследований установлена тесная связь между структурной прочностью и состоянием лессовых грунтов и такими характеристиками как влажность, пористость, плотность, коэффициент пористости, удельное сцепление. Здесь коэффициенты корреляции близки к 1 (R = 0,86-0,98). Однако между структурной прочностью и углом внутреннего трения такой тесной зависимости не наблюдается (что можно объяснить небольшим пределом изменения угла внутреннего трения для лессового суглинка от 21 до 23, для лессовой супеси от 19 до 24). Получены корреляционные зависимости, сведены в таблицу 1.
а) б)
Рисунок 1 – Графики зависимости между структурной прочностью
и коэффициентом пористости:
а) лессового суглинка: 1 - твердого, 2 - полутвердого,3 - тугопластичного;
б) лессовой супеси: 1 - твердой, 2 - пластичной
а) б)
Рисунок 2 – Графики зависимости между структурной прочностью
и удельным сцеплением:
а) лессового суглинка: 1 - твердого, 2 - полутвердого,3 - тугопластичного;
б) лессовой супеси: 1 - твердой, 2 - пластичной
Таблица 1 - Уравнения корреляционных зависимостей для
вычисления структурной прочности лессовых грунтов
| Тип грунта | Уравнение регрессии рstr = f(е0) | Уравнение регрессии рstr = f(с) |
| Суглинки твердые | рstr = 0,1262-0,1171 ∙ е0 (0,99)* | рstr = 4,0243 ∙ С – 0,0792 (0,98)* |
| Суглинки полутвердые | рstr = 0,0697–0,0600 ∙ е0 (0,97)* | рstr = 1,5948 ∙ С – 0,0173 (0,86)* |
| Суглинки тугопластичные | рstr = 0,0649 – 0,0579 ∙ е0 (0,96)* | рstr = 1,3072 ∙ С – 0,0103 (0,85)* |
| Супесь твердая | рstr = 0,1115 – 0,1005 ∙ е0 (0,96)* | рstr = 4,4197 ∙ С – 0,0517 (0,98)* |
| Супесь пластичная | рstr = 0,1074 – 0,0995 ∙ е0 (0,97)* | рstr = 4,9312 ∙ С – 0,053 (0,98)* |
Четвертая глава посвящена микроструктурным исследованиям лессового грунта в условиях компрессионных испытаний. Изучению микроструктуры глинистых пород посвящены работы В.И. Осипова, В.Н. Соколова, Н.А. Румянцевой, Т.Г. Рященко, В.В. Акуловой, Г.И. Швецова, Е.И. Вяткиной и др. При воздействии на лессовый грунт нагрузки равной структурной прочности этого грунта очень важным моментом является изучение на микроструктурном уровне изменений происходящих в грунте.
Отбор образцов грунта после компрессионного уплотнения для изучения микроструктурных характеристик проводился перпендикулярно приложенной нагрузке после передачи давления равного - рstr, и давления значительно превышающего величину структурной прочности исследуемого грунта - 0,10 МПа; 0,15 МПа. Одновременно отбирались образцы для проведения микроагрегатного и гранулометрического анализов.
Подготовка образцов осуществлялась методом вакуумной морозной сушки в вакуумном универсальном посту ВУП-5. Обработка исследуемой поверхности образцов проводился способом свежих сколов. Сначала на РЭМ изучался весь образец, а затем фотографировались при различных увеличениях (до 5000) 2-3 наиболее характерных участка.
Показатель класса структуры грунта К1 определялся по формуле
(1)где q3 - фракция более 50 мкм, включающая преимущественно крупные монозерна.
Для определения q3 можно воспользоваться следующей эмпирической зависимостью
(2)где Wl и Wp - выражены в долях единицы, q3 - в процентах.
Полученный результат К1 = 0,31 показывает принадлежность структуры лессового грунта к зернисто-пленчатому классу (по классификации А.К. Ларионова.
При анализе полученных РЭМ-фотографий микроструктура эталонного (начального) грунта со всех точек практически идентична. Микроструктура природного грунта (рисунок 3) однородная с рыхлым равномерно пористым скелетом, сложена округлыми глинисто-пылеватыми агрегатами и зернами в среднем размером 15-50 мкм. Глинистый материал расположен, в основном, на поверхности зерен (глобул) в виде сплошной «рубашки» и в местах контактов частиц, образуя между ними глинистые «мостики», через которые и происходит контактирование твердых структурных элементов. Ориентация структурных элементов практически отсутствует. Поровое пространство представлено крупными межзерновыми, межагрегатными и внутриагрегатными порами. Общая пористость грунта составляет 48,5%. Полученные микроструктурные данные являются характерными для лессовых грунтов Приобского плато. Все это в целом позволяет отнести микроструктуру лессового просадочного грунта к скелетному типу (по В.И. Осипову).
После приложения нагрузки равной структурной прочности грунта существенных изменений микроструктуры по сравнению с образцами эталонного (начального) лессового грунта не происходит (рисунок 4). Микроструктура грунта однородна с рыхлым равномерно пористым скелетом, сложена округлыми глинисто-пылеватыми агрегатами. При дальнейшем увеличении давления (рисунки 5, 6) до значений превышающих величину структурной прочности (0,10 МПа и 0,15 МПа) структурные связи ослабляются, вплоть до разрушения. Происходит уменьшение размеров всех категорий пор, увеличивается число ультрамикропор, тонких микропор, общего периметра пор (таблица 2). Тип структуры не меняется.
а) б)
Рисунок 3 - Микроструктура лессового грунта в естественном
состоянии увеличение снимков: а) 250; б) 1000
а) б)
Рисунок 4 - Микроструктура лессового грунта после компрессионного
уплотнения давлением Р = рstr с увеличение снимков: а) 250; б) 1000
а) б)
Рисунок 5 - Микроструктура лессового грунта после компрессионного
уплотнения давлением Р = 0,1МПа с увеличение снимков:
а) 250; б) 1000
а) б)
Рисунок 6 - Микроструктура лессового грунта после компрессионного
уплотнения давлением Р= 0,5 МПа с увеличение снимков:
а) 250 ; б) 1000
Таблица 2 – Результаты количественного анализа микроструктур
лессового грунта по РЭМ-изображениям
| Наименование показателя | Природное сложение | После компрессионного уплотнения грунта при давлении | ||
| Р = рstr МПа | Р = 0,1МПа | Р = 0,15МПа | ||
| Грунт естественной влажности | ||||
| Пористость, % | 48,50 | 47,94 | 42,99 | 41,39 |
| Общая площадь пор, км2 | 1093490 | 107384 | 995367 | 974239 |
| Общий периметр пор, 106 мкм | 5,546 | 5,501 | 5,688 | 5,714 |
| Средний диаметр пор, мкм | 0,340 | 0,331 | 0,295 | 0,284 |
| Средняя площадь пор, км2 | 0,767 | 0,724 | 0,448 | 0,416 |
| Средний периметр пор, км | 2,497 | 2,495 | 2,431 | 2,266 |
Микроструктурный анализ образцов лессового грунта показал, что в момент приложения нагрузки превышающей структурную прочность грунта начинается разрушение структурных связей грунта. Глобулы и агрегаты не разрушаются, а начинают поворачиваться своими базальными поверхностями перпендикулярно действующей нагрузки.
Пятая глава посвящена классификации лессовых грунтов и практическому использованию результатов исследований.
Классификация грунтов в инженерной геологии является средством и методом их познания. По В.Д. Ломтадзе классификация – это основной раздел любой естественной науки первый и важный этап обобщения, она отражает степень изученности рассматриваемых предметов в определенном аспекте. Вопросами классификации горных пород в инженерной геологии занимались Е.М. Сергеев, М.М. Протодьяконов, Н.Н. Маслов, Ф.П. Саваренский, В.Е. Ольховатенко, Г.И. Швецов и др. Изучать свойства лессовых грунтов невозможно без систематизации их в определенном порядке. Полученные результаты исследований структурной прочности лессовых грунтов позволяют рекомендовать использовать данный показатель при разработке региональной инженерно-геологической классификации лессовых грунтов. В основу классификации положены следующие принципы: генезис, состав, состояние и структурная прочность лессовых грунтов которые могут служить входом в инженерно-геологическую классификацию. Выходом являются прочностные и деформационные свойства лессовых грунтов региона (таблица 3).
Полученные результаты исследований и разработанная региональная инженерно-геологической классификация лессовых грунтов имеют важное практическое значение при проектировании оснований фундаментов зданий и сооружений.
Н.А. Цытовичем было предложено определять нижнюю границу сжимаемой толщи грунтового основания из условия равенства значения напряжения от дополнительной нагрузки и величины структурной прочности. В этом случае расчетная модель достаточно полно отражает реальные свойства грунтов и процессы, происходящие в грунтовых основаниях при воздействии внешних нагрузок. Данный подход был применен к расчету осадок лессовых оснований Приобского плато.
Анализируя проведенные расчеты можно отметить, что при равных исходных данных (климатические условия, инженерно-геологические условия, тип здания, значения нагрузок) при расчете осадок основания с учетом структурной прочности грунтов граница сжимаемой толщи уменьшается на величину до 15 % по сравнению с расчетом осадок по СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».
| Таблица 3 – Региональная инженерно-геологическая классификация лессовых грунтов Приобского плато | Е, МПа | 5,0 | 4,8 | 4,8 | 4,6 | 4,6 | 4,5 | 3,0 | 3,3 | 3,1 | 2,8 | 5,0 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 3,5 | 2,4 | 2,4 | 2,1 |
| с, МПа | 0,035 | 0,034 | 0,032 | 0,022 | 0,019 | 0,031 | 0,027 | 0,030 | 0,026 | 0,023 | 0,026 | 0,023 | 0,021 | 0,020 | 0,018 | 0,020 | 0,019 | 0,016 | 0,015 | |
| , град. | 23 | 23 | 23 | 22 | 21 | 22 | 21 | 22 | 21 | 21 | 24 | 24 | 23 | 23 | 22 | 23 | 22 | 21 | 19 | |
| Il | -1,28 | -0,74 | -1,24 | -0,58 | -0,26 | 0,14 | 0,11 | 0,29 | 0,29 | 0,46 | -1,38 | -1,67 | -0,44 | -0,93 | -0,63 | 0,03 | 0,03 | 0,13 | 0,08 | |
| Ip, % | 7 | 8 | 7 | 7 | 7 | 8 | 7 | 7 | 7 | 7 | 5 | 6 | 5 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | |
| Wр, % | 18 | 16 | 18 | 17 | 17 | 16 | 17 | 17 | 18 | 17 | 17 | 19 | 17 | 18 | 19 | 16 | 17 | 16 | 17 | |
| Wl, % | 25 | 24 | 25 | 24 | 24 | 24 | 24 | 24 | 25 | 24 | 22 | 25 | 22 | 24 | 25 | 22 | 23 | 22 | 23 | |
| е | 0,52 | 0,58 | 0,67 | 0,82 | 0,87 | 0,63 | 0,72 | 0,62 | 0,69 | 0,78 | 0,50 | 0,61 | 0,70 | 0,76 | 0,85 | 0,60 | 0,69 | 0,74 | 0,84 | |
| W, % | 9,0 | 10,1 | 9,3 | 12,9 | 15,2 | 17,1 | 17,8 | 19,0 | 20,0 | 20,2 | 10,1 | 9,0 | 14,8 | 12,4 | 15,2 | 16,2 | 17,2 | 16,8 | 17,5 | |
| , г/см3 | 2,01 | 1,94 | 1,84 | 1,64 | 1,58 | 1,96 | 1,82 | 1,98 | 1,90 | 1,82 | 1,94 | 1,87 | 1,72 | 1,70 | 1,60 | 1,92 | 1,84 | 1,79 | 1,68 | |
| s, г/см3 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,71 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | 2,70 | |
| рstr, МПА | 0,065 | 0,058 | 0,048 | 0,030 | 0,024 | 0,032 | 0,026 | 0,029 | 0,025 | 0,020 | 0,062 | 0,051 | 0,042 | 0,036 | 0,027 | 0,049 | 0.040 | 0,035 | 0,025 | |
| Разновидность грунта | твердый | полутвердый | тугоплас-тичный | твердая | пластичная | |||||||||||||||
| Тип грунта | Суглинок лессовый | Супесь лессовая | ||||||||||||||||||
| Класс | Озерно- аллювиальные верхне- плиоцен- четвертичные отложения | |||||||||||||||||||
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Выполненные исследования позволяют сформулировать следующие итоговые результаты и выводы, основанные на теоретических и практических результатах настоящей работы.
1. Региональной инженерно-геологической особенностью лессовых просадочных пород Приобского плато является их сравнительно небольшая мощность (от 2 до 12 м.), по степени просадочности они относятся в основном к I типу. Наибольшее распространение имеют лессовые породы краснодубровской свиты, представленные лессовыми суглинками и супесями, являющиеся чаще всего основаниями зданий и сооружений.
2. В результате исследований подтверждено, что различного рода техногенные процессы (передача нагрузки, замачивание и др.) вносят необратимые преобразования в нормальные условия существования лессовых пород, которые в силу своих структурно-текстурных особенностей относятся к исключительным инженерно-геологическим образованиям. Лессовые породы постоянно взаимодействуют с внешней средой, и являются необыкновенно «чуткими» образованиями.
3. Структурные особенности оказывают определяющее влияние на закономерности поведения лессовых грунтов при техногенных воздействиях. Между структурной прочностью и физическими свойствами лессового грунта существует тесная взаимосвязь. Это позволяет по комплексу структурных показателей оценивать и прогнозировать прочностное и деформационное поведение лессовых оснований, а так же изменение их свойств под воздействием различных факторов. На формирование структурной прочности лессовых грунтов первостепенное влияние оказывает минералогический, химический, микроагрегатный, гранулометрический состав, а так же его состояние и физические свойства.
4. Исследованиями установлено, что главным фактором, контролирующим деформационное и прочностное поведение глинистых грунтов, является характер структурных связей, от которых зависит не только величина их сжимаемости, но и характер этого процесса.
5. Микроструктура лессовых грунтов природного сложения может быть отнесена к скелетному типу (по В.И.Осипову), представлена преимущественно агрегатами округлой формы, имеющими сложное строение. Контактирование твердых структурных элементов осуществляется через глинистые «рубашки», покрывающие поверхности глобул.
Микроструктурные исследования лессового просадочного грунта показали, что в момент приложения нагрузки равной структурной прочности грунта начинается разрушение структурных связей грунта. Глобулы и агрегаты не разрушаются, а начинают поворачиваться своими базальными поверхностями перпендикулярно действующей нагрузки. Происходит уменьшение размера пор, уменьшение их диаметра, периметра и объема, и так же происходит более плотная укладка частиц в грунте, т.е. повышается плотность грунта. Уменьшается объем и количество макропор, тогда как объем тонких пор изменяется не значительно.
6. Разработаны практические рекомендации по учету структурной прочности при расчете осадок оснований фундаментов зданий и сооружений. Нижняя граница сжимаемой толщи грунтового основания с учетом структурной прочности грунта определяется из условия равенства значения напряжения от дополнительной нагрузки szр и величины структурной прочности рstr. Применение данного подхода позволяет более точно определить зависимость между нагрузками, передаваемыми на основания зданий и сооружений и значением деформации данных оснований. В этом случае расчетная модель достаточно полно отражает реальные свойства грунтов и явления, происходящие в грунтовых основаниях при воздействии внешних нагрузок.
7. Выявленные закономерности между структурной прочностью и физическими характеристиками лессовых грунтов положены в основу при разработке инженерно-геологической классификации лессовых грунтов. Детальная характеристика выделенных категорий грунтов приведена в диссертационной работе.
Основные положения диссертационной работы представлены в следующих опубликованных работах:
1. Носков И.В. Исследование изменений физико-механических характеристик лессовых просадочных грунтов в основаниях длительно эксплуатируемых зданий / Носков И.В. Корнеев И.А, Осипова М.А // Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия: Тезисы докладов Международной научно-практической конференции / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999. С. 101-103.
2. Осипова М.А. Влияние воздействия различных факторов на структурную прочность грунтов / Осипова М.А. // Гуманизм и строительство. Природа, этнос и архитектура: Сборник трудов Международной научно-практической конференции / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2003. - С. 106-107.
3. Черепанов Б.М. Особенности учета структурной прочности лессовых грунтов при определении величины деформации зданий и сооружений / Черепанов Б.М., Осипова М.А., Никитин А.С. // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Строительство» Часть 1 / Алт. гос. техн. ун-т им И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. - С.33 -34.
4. Швецов Г.И. Определение структурной прочности лессовых грунтов при компрессионном испытании / Швецов Г.И., Осипова М.А, Тупякова Л.В. // 3-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых / Алт. гос. техн. ун-т им И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. - С. 9-10.
5. Осипова М.А. Расчет осадок фундаментов зданий и сооружений с учетом структурной прочности лессовых оснований / Осипова М.А., Тупякова Л.В., Носков И.В. // Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу (Ползуновские гранты): Материалы 11-го Всероссийского слета студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса Министерства образования и науки РФ и Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Ползуновские гранты» / Под общ. ред. А.А. Максименко. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. - С.152-158.
6. Осипова М.А. Комплексная оценка структурной прочности грунтов и оценка осадок грунтовых толщ при водопонижении / Осипова М.А., Чернышова Н.А. // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова: Изд-во АлтГТУ, - 2006. - № 4-2. - С. 131-135.