1 стр. из 1

Определения показателей физико-механических свойств грунтов, используемые в расчетах устойчивости сооружений различного назначения, должны выполняться только после специальной подготовительной стадии, которая включает планирование эксперимента, проводимое на базе комплексного анализа системы «сооружение — основание».

При анализе работы единой системы «наземное сооружение — основание» наибольшие сложности возникают при инженерно-геологической оценке пород (грунтов) основания как самого важного конструктивного элемента рассматриваемой системы. Известно, что развитие больших и неравномерных деформаций пород (грунтов) основания вызывает переход сооружения в аварийное состояние. Наиболее часто разрушения зданий наблюдаются в тех случаях, когда в зоне основания присутствуют песчано-глинистые грунты, которые характеризуются существенной неоднородностью и изменчивостью состава, состояния и показателей физико-механических свойств. Кроме того, такие грунты имеют высокий уровень чувствительности и уязвимости к изменению не только напряженного состояния, но и температурных условий, физико-химической и биохимической обстановки в основании эксплуатируемых зданий и сооружений.

Скрытые и неуправляемые процессы в ходе строительства и эксплуатации сооружений происходят с грунтами основания. Принципиальное значение приобретают те процессы, которые вызывают ухудшение состояния и свойств грунтов основания, приводящее к росту абсолютной и относительной деформаций и снижению несущей способности грунтов.

В настоящее время прогноз устойчивости сооружений должен обязательно сопровождаться изучением комплексного воздействия основных ведущих факторов — давления, физико-химических и биохимических условий, температурного режима в двух аспектах: 1) изменение состояния и свойств грунтов во времени в зависимости от реальных условий их работы в основании; 2) изменение напряженного состояния грунтов под действием веса сооружения, а также протекания физико-химических, химических и биохимических процессов. Общая схема систематизации и воздействия факторов, влияющих на устойчивость основания сооружений, приведена на рисунке 1.

Главным звеном является выбор расчетной модели основания при действии определяющего фактора — давления от веса сооружения. Его роль будет меняться в зависимости от типа породы (грунта) и активности протекающих процессов при разнообразных техногенных воздействиях.

Построение расчетных моделей оснований реализуется на основании экспериментальных исследований, а также теоретических представлений инженерной геологии, геотехники и механики грунтов. Анализ поведения глинистых грунтов в основании сооружений необходимо вести как на макро-, так и на микроуровнях. При оценке работы глинистых толщ на макроуровне наибольшее значение имеет их трещиноватость. С учетом макростроения выделяются две группы расчетных моделей оснований. К первой группе относятся те основания, глинистые грунты которых должны быть представлены как трещиновато-блочная среда (среда с двойной пористостью). Трещины разбивают толщу основания на отдельные блоки, размер которых может значительно варьировать в зависимости от характера и интенсивности трещиноватости.

В то же время каждый блок анализируется как дисперсная среда, имеющая лишь тонкую пористость, и все процессы, происходящие в таком блоке, следует рассматривать на микроуровне.

Ко второй группе относятся основания, в которых глинистые грунты рассматриваются как дисперсная среда, обладающая только тонкой пористостью (наличие микротрещиноватости при этом не исключается). Анализ работы основания в таком случае необходимо проводить на микроуровне.

Первая группа моделей охватывает глинистые грунты предельно высокой, высокой, а также частично средней степени литификации, для которых характерны твердая, полутвердая, тугопластичная консистенции (верхнекотлинские и нижнекембрийские глины, некоторые типы морен).

Во второй группе моделей должны рассматриваться глинистые грунты малой и отчасти средней степени литификации, имеющие текучую, тугопластичную и мягкопластичную консистенции, повышенные значения влажности; подчиненное значение в таких отложениях должны играть цементационные связи (современные, верхнечетвертичные озерно-ледниковые отложения, морены, межледниковые отложения). При оценке устойчивости сооружений на трещиноватых глинистых грунтах необходимо использовать параметры сопротивления сдвигу и деформационной способности, полученные при полевых исследованиях. При отсутствии таких данных необходимо вводить понижающие коэффициенты с учетом масштабного эффекта в параметры сопротивления сдвигу, полученные в ходе лабораторных работ. При проведении экспериментов обязательным является определение прочности по отдельным трещинам при условии сохранения их заполнителя, а при отсутствии заполнителя — характерной поверхности трещин и вторичных пленок на ее поверхности.

Следует отметить, что для этого типа грунтов отсутствуют корреляционные связи между показателями физических и механических свойств.

При рассмотрении второй группы расчетных моделей предполагается отсутствие трещиноватости в глинистых грунтах, относительно низкая их прочность и высокая деформационная способность. Учитывая относительно слабые структурные связи таких глинистых отложений, наиболее достоверным будет вариант, когда сжимающие напряжения (σz) разрушают структурные связи в глинистом грунте, т. е. превосходят величину его структурной прочности на сжатие (σстр). В этом случае необходимо проанализировать характер перераспределения сжимающих напряжений между поровой водой и скелетом грунта, который зависит от содержания глинистой фракции, ее минерального состава, плотности и влажности отложений, темпов роста давления, особенностей работы грунта в основании сооружений (с возможностью либо отсутствием бокового расширения). В таблице 1 приведен общий характер изменения максимальной величины порового давления (umax) для малолитифицированных глинистых грунтов различного гранулометрического состава и физического состояния (показателя консистенции) по результатам экспериментальных работ для одномерной задачи (при отсутствии бокового расширения). Тонкодисперсная часть этих грунтов представлена глинистыми минералами средней активности — гидрослюдами.

Многочисленные исследования возможности протекания фильтрационной консолидации в глинистых грунтах показали, что только в легких по гранулометрическому составу отложениях формируется зона уплотнения мощностью не более 0,5 м.

Следовательно сопротивление сдвигу таких водонасыщенных грунтов должно определяться для неконсолидированного состояния.

Как уже отмечалось выше, прогноз устойчивости оснований сооружений зависит не только от правильно выбранной расчетной модели и параметров свойств грунтов при действии основного фактора — изменения напряженного состояния грунтов, но и определяется влиянием физико-химической обстановки, которая формируется в процессе эксплуатации сооружений при наличии утечек из инженерных коммуникаций, в том числе систем водоотведения. При рассмотрении проблемы физико-химического взаимодействия утечек с глинистыми грунтами одним из важных вопросов является исследование механизма их проникновения в грунтовую толщу. Обычно проникновение стоков в грунты основания происходит под действием ничтожно малых градиентов напора. Степень раскрытия трещин и размер блока определяют режим движения жидкой фазы в толще трещиноватых грунтов.

Рассмотрение и анализ модели глинистых грунтов основания как среды, обладающей только тонкой пористостью, предполагает необходимость сравнительной оценки действующего градиента напора (Iд) с начальным градиентом фильтрации (Iн). Если Iд<Iн, проникновение стоков будет происходит диффузионным путем за счет градиента концентраций стоков и поровых вод глинистых грунтов. При коэффициентах фильтрации глинистых грунтов менее 10-5 м/сут. и Iд>Iн скорости конвективного и диффузионного движения стоков становятся сопоставимыми и механизм их перемещения следует рассматривать как диффузионно-конвективный.

Присутствие органики в подземных водах приводит к формированию восстановительной обстановки в водонасыщенной толще грунтов. При этом дополнительно должна быть замерена величина окислительно-восстановительного потенциала Eh. В восстановительных условиях при Eh ≤ 0 (mV) происходит разрушение цементационных связей за счет соединений трехвалентного железа в глинистых грунтах в процессе его редукции (Fe3++ e → Fe2+), что переводит грунты в категорию квазипластичных. Присутствие Fe2+ в грунтах вызывает разрушение агрегатов и повышение содержания тонкодисперсных фракций, сопровождающееся ростом гидрофильности глинистых отложений. Кроме того, наблюдается сорбция органических компонентов на дисперсных частицах, что влияет на снижение угла внутреннего трения. В восстановительной среде при дополнительном загрязнении подземных вод соединениями серы и наличием сульфатредуцирующих бактерий происходит образование сероводорода, который относится к хорошо растворимым газам и формирует агрессивную среду по отношению к металлам, железобетону и бетону.

В восстановительной среде при контаминации подземных вод и грунтов нефтепродуктами и наличии «богатого» сообщества микроорганизмов возможно образование метана, который относится к малорастворимым газам, что меняет напряженно-деформируемое состояние грунтовой толщи. Генерация метана обычно происходит на глубинах более 2 м при условии, что верхняя толща представлена газонепроницаемыми грунтами. Метан может генерироваться в различных по генезису грунтах. На территории Санкт-Петербурга выделяют зоны природного метаногенеза в микулинских слоях межморенного горизонта в погребенной долине пра-Невы в юго-восточной части города (от моста Александро-Невского и южнее). Природно-техногенный метаногенез наблюдается в верхней части разреза четвертичной толщи при ее загрязнении органическими соединениями, наличии определенного состава биоценоза и существовании строго анаэробных условий.

В процессе прогноза трансформации горных пород и грунтов с учетом микробиологического фактора необходимым является не только определение численностии видов микроорганизмов, но прежде всего оценка тех функций в новых реальных условиях, которые они могут осуществлять.

При этом особое место занимает проблема изучения интенсификации деятельности микроорганизмов при загрязнении подземных вод различными поллютантами, выявление позитивной роли в самоочищении и саморегуляции состояния подземной среды, а также тех негативных последствий, которые могут быть вызваны ростом численности микрофлоры и ее биохимическим воздействием на физико-механические свойства песчано-глинистых грунтов и конструктивных материалов.

Исследование по активизации микробиологической деятельности с применением интегрального показателя содержания бактериальной массы с использованием суммарного белка микробного генезиса — БМ — позволяет определить: а) негативную трансформацию состава, состояния и физико-механических свойств грунтов; б) развитие газодинамических явлений и плывунов; г) снижение несущей способности грунтов в основании сооружений; г) резкое возрастание агрессивности подземной среды по отношению к строительным материалам.

В Санкт-Петербурге было проведено обследование разреза территорий, в пределах которых постоянные источники контаминации функционировали в течение 200–250 лет и более (табл. 2). Кроме того, была выявлена специфика распределения БМ в пределах и вне погребенных долин города (табл. 3). Значение БМ (мкг/г) для исследованных типов отложений вне зон загрязнения обычно не превышает указанных ниже величин: литориновые (морские) — ≤ 50; озерно-ледниковые — ≤ 38; моренные — ≤ 30; коренные глины венда — ≤10.

При условии развития биохимических процессов обеспечить устойчивость сооружения возможно при тщательно выполненной прогнозной оценке влияния количественного содержания бактериальной массы на водопроницаемость, водоотдачу, параметры сопротивления сдвигу и деформационные характеристики грунтов. При этом необходимо произвести исследования возможной потери несущей способности грунтов в основании сооружений, и, соответственно, их конструкции должны быть приспособлены к новому состоянию грунтов. Подобные прогнозы могут быть выполнены только в процессе проведения специальных экспериментальных исследований в полевых и лабораторных условиях либо с помощью специального моделирования.

Следует также обращать внимание на обоснование выбора строительных материалов и их защиту от биокоррозии в подземной среде при строительстве и реконструкции зданий и сооружений.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!