Классификаци искусственных грунтов

Общие подходы к классификации искусственых грунтов

Геологи и строители по-разному подходят к оценке грунтов, испытавших на себе воздействие человека, что нашло свое отражение даже в терминологии. Далеко не случайно строители называют такие грунты "насыпными", подчеркивая тем самым укоренившиеся у многих представления об их особо рыхлом сложении, большом количестве инородных по отношению к общей массе включений и пр., (игнорируя при этом, как несущественное, соображение о том, что под такое понятие не подходят другие, резко отличающиеся от насыпных по способу образования грунты, например намытые, которые также обязаны своим возникновением человеку.

В геологической литературе рассматриваемые грунты часто, особенно за последнее время, стали называть "антропогенными", указывая тем самым на их генезис, связанный с деятельностью человека. Между тем этот термин очень созвучен с давно употребляемым для выражения геологического времени и привычным термином "антропогеновый", поэтому, чтобы не смешивать их друг с другом, уместнее остановиться на другом определении, а именно на предложенном еще в XIX в. выражении "искусственные грунты" (Сергеев и др., 1971). Такое определение прямо указывает на основное и принципиальное отличие рассматриваемых грунтов от природных и оправдывает объединение в одну весьма обширную группу многочисленных и резко различных по условиям формирования, составу и свойствам новых, искусственных геологических образований.

Искусственные грунты образуются в процессе деятельности технически вооруженного человека. Наиболее крупные процессы их образования связаны, как было показано выше, с горнотехнической, инженерно-строительной, сельскохозяйственной и военной деятельностью человека. Состав образуемых грунтов зависит от геологических условий местности, в пределах которой проявляются эти виды деятельности, от характера воздействия человека на горные породы от технологии процессов по переработке этих пород и пр. В силу весьма разнообразного воздействия человека на различные горные породы искусственные грунты очень многообразны по составу, состоянию и свойствам. Поэтому под искусственными грунтами мы понимаем горные породы, претерпевшие коренные изменения в результате непосредственного воздействия на них человека, или образованные из горных пород и органических соединений производственные и бытовые отходы, которые являются объектом деятельности человека.

В общей классификационной схеме предпринята попытка объединения генетического подхода к типизации грунтов с запросами строительной практики, выдвигающей в качестве обязательного требования к классификации необходимость учета таких признаков, которые позволили бы оценить грунты с инженерных позиций. Частные классификации, основанные на подразделении грунтов по какому-либо одному определяющему признаку, развивая и уточняя общую схему, являются ее составными частями, позволяющими систематизировать отдельные разновидности искусственных грунтов по их составу и инженерно-геологическим свойствам.

Подгруппа	Тип	Подтип
Способ образования	Технология образования	Источник накопления
Намытые	Организованный намыв; Неорганизованный намыв
Отсыпанные	Планомерная отсыпка (послойная или на всю мощность); Непланомерная отсыпка (послойная или на всю мощность)	Горнотехническая деятельность; Инженерная деятельность; Сельскохозяйственная деятельность.
Измененные на месте	Разрыхленные, увлажненные, уплотненные, упрочненные	Бытовая деятельность.
Грунты культурного слоя	Непланомерно образованные

К намытым отнесены грунты, образующиеся средствами гидромеханизации в процессе разработки исходных карьерных грунтов, транспортирования их по трубопроводам и отложения в месте использования (карты намыва) или сброса. Состав карьерных грунтов и технология намыва предопределяют условия формирования свойств насыпных грунтов, их состав, плотность сложения, текстуру и т.п. Рациональная система намыва позволяет во многих случаях улучшить в строительном отношении физико-механические свойства намытых грунтов по сравнению с карьерными.

В процессе осаждения частиц и их уплотнения водой формируются специфичные свойства намытых грунтов, отличающие их от грунтов, образованных другим способом. В случаях, когда с помощью средств гидромеханизации осуществляются, например, вскрышные Работы на месторождениях полезных ископаемых, применяется неорганизованный намыв, т.е. намыв, при котором не ставится задача создания грунтов определенного заданного состава и свойств.

Образование осадка на картах намыва является первой стадией весьма сложных и длительных процессах формирования намытых грунтов. Эта стадия (седиментогенеза) имеет определенные черты сходства с формированием природных отложений песчаного и глинистого состава, существенно отличаясь от них вследствие принципиального различия в характере сил, вызывающих рассматриваемое явление, сил не природных, а обусловленных деятельностью человека. В инженерно-геологическом отношении наиболее характерными особенностями в образовании намытых грунтов, например намытых песков, по сравнению с формированием природных континентальных отложений того же песчаного состава в процессе седиментогенеза, можно считать:

Практически мгновенное разрушение исходного материала. Это исключает физико-химическое преобразование породы, происходящее при природном выветривании;
Незначительную длительность переноса исходного материала, не оказывающую практического влияния на форму и характер окатанности песчаных зерен;
Искусственное регулирование фракционного состава образуемого осадка путем изменения скорости движения потока, несущего исходный материал, концентрации пульпы и т.п.;
Быстрое отложение исходного материала на карте намыва, вызванное резким уменьшением скорости движения потока;
Неблагоприятные условия для накопления органических остатков, что приводит, как правило, к отсутствию свойственных природному песчаному аллювию иловатых или заторфованных разностей.

В результате седиментогенеза возникают рыхлые, обводненные песчаные или глинистые образования - осадки, являющиеся исходным материалом для последующего, на стадии диагенеза, формирования намытых песков и глин как пород.

В процессе деятельности человека образуются огромные массы техногенных отсыпанных искусственных грунтов в число которых входят разрушенные и перемещенные на новое место природные горные породы, отходы металлургических и других производств и т.п. Большие скопления отсыпанных грунтов приурочены главным образом к районам развития горнодобывающей промышленности, к территориям, на которых производятся в значительном объеме мелиоративные мероприятия, к крупным городам и промышленным центрам, а также к местам интенсивных военных действий.

В подгруппе отсыпанных искусственных грунтов по технологии образования выделяются планомерно и непланомерно отсыпанные грунты. Планомерно возведенные насыпи обычно отсыпаются из природных горных пород разного состава в целях планировки территории или для создания различных земляных сооружений; насыпи железных и автомобильных дорог, дамбы и т.п. Такие насыпи отсыпаются и из грунтов, извлеченных из соседних выемок или из специально закладываемых карьеров и разрезов. Все в больших количествах встречаются насыпи, отсыпанные из отходов производства (шлаки, золы и т.п.).

Насыпи, создаваемые при помощи автомобильного или железнодорожного транспорта, обычно отсыпаются послойно. Уплотнение грунта производится привозящим грунт транспортом или катками, вибромашинами и т.п. Отсыпка обычно осуществляется слоями мощностью 0,2-0,5 м, при увеличении крупности отсыпаемого материала толщина слоев иногда возрастает до 1-1,5 м. Насыпи, отсыпанные сразу на всю мощность, образуются обычно при доставке однородного грунта на место укладки автомобильным или железнодорожным транспортом. При отсыпке насыпи сразу на всю мощность или большими слоями (до 8-15 м) только самая верхняя зона (0,4-1,0 м) сравнительно хорошо уплотняется проходящим транспортом, а нижние слои остаются недоуплотненными. В таких насыпях часты случаи, когда отдельные разновидности отсыпаемых под уклон грунтов образуют наклонные слои различной мощности. Наклон слоев обычно соответствует углу естественного откоса грунтов. Этим в немалой мере объясняется неравномерность сжимаемости насыпи в плане и разрезе.

Классификация искусственных грунтов по составу и инженерно-геологическим свойствам

Состав грунта по крупности фракций:

Крупнообломочный – валунный, глыбовый, галечниковый, щебенистый, гравийный, дресвяный;
Песчаный – крупный, средний, мелкий, пылеватый;
Глинистый – глины, суглинки, супеси;
Смешанный – характеризуется гранулометрическими функциями;

Состав грунта:

По виду заполнителя: песчаный, глинистый и т.д;
По плотности сложения: плотный, средней плотности, рыхлый.
По консистенции глинистых грунтов: твердый, пластичный, текучий и т.д.;
По влажности – маловлажный, влажный, насыщенный водой;
По отношению к замачиванию – набухание, просадки;
По содержанию заполнителя – малое, среднее, высокое.
По однородности – однородный, неоднородный, очень неоднородный;
По степени засоления – незасоленные, среднезасоленные, сильнозасоленные.
По характеру распределения органического вещества: рассеянное, гнездовое, линзовое.

Образование непланомерно отсыпанных насыпей обычно связано с необходимостью удаления больших масс горных пород (от срезки при планировке, от выемки при рытье котлованов, при проходке метро, коммуникационных тоннелей и пр.) или различных промышленных отходов (шлаки, зола и пр.) в отвал. Складирование исходного материала в больших количествах в пониженных частях рельефа приводит к образованию насыпей со значительной изменчивостью состава, плотности и других свойств грунтов в пределах больших площадей

При искусственном замачивании в течение длительного времени многие породы глинистого состава теряют связность, изменяют консистенцию, размокают и распадаются на отдельности вплоть до состояния бесформенной массы. Например, легко и быстро размокают и размываются уже упомянутые лёссовые породы, которые в этом случае часто сильно уплотняются и деформируются даже без увеличения внешних нагрузок.

При нарушении человеком термического режима в зонах многолетней мерзлоты в сторону повышения температуры происходит протаивание мерзлых толщ. Это вызывает в горных породах изменение их фазового состояния (увеличение жидкой фазы), влажности, пластичности и пр., распад криогенных структур и др., приводящее к существенной потере прочности пород.

Некоторые техногенные процессы, например массовые взрывы, вызывают значительные изменения даже в скальных породах. При массовых взрывах вмешательство человека сказывается в разрыхлении пород, развитии в них трещиноватости, в образовании полостей, сдвижении блоков и пр., т.е. в общем нарушении до этого устойчивого положения всей совокупности составляющих элементов скальных пород.

Е.Д. Калиманов описывает случай, когда в результате массового взрыва 250 т ВВ, произведенного с целью образования русла канала, в залегающих ниже сферы выброса песчаниках появились зияющие трещины с раскрытием до 10-15 см и глубиной свыше 1 м.

При массовом взрыве на одном из рудников в Киргизии мы были свидетелями того, как в гранитах, залегающих на некотором удалении от сферы выброса, открылись зияющие трещины и даже полости таких размеров, что в них свободно мог войти человек. Влияние этого взрыва не ограничилось указанными последствиями. Главное его проявление выразилось в общем рыхлении гранитов, обильном образовании мелких трещин, дробящих крупные блоки на мелкие отдельности.

Рассмотренные примеры изменения горных пород могут быть отнесены к категории стихийного воздействия человека на горные породы, приводящего к ухудшению грунтовых условий, т.е. к нежелательным для человека последствиям.

К сходным последствиям для горных пород могут привести некоторые другие действия человека. Значительные изменения претерпевают горные породы в бортах карьеров и откосах выемок, где будучи выведенными человеком на дневную поверхность, они становятся доступными прямому воздействию атмосферных осадков, колебанию температуры и действию других факторов выветривания. Это иногда приводит, как, например, в случаях с некоторыми разновидностями глин, к их интенсивному разрушению на отдельные плитки и куски, вплоть до трухи. Но именно потому, что изменения пород в таких случаях наступают под действием природных факторов, хотя и интенсифицированных благодаря активному содействию человека, эти породы не могут быть отнесены к искусственным грунтам.

К другой категории техногенного вмешательства следует отнести явления, возникающие при внедрении в породы различных снарядов (в процессе бурения, забивки свай и пр.) и вызывающие уплотнение и упрочнение пород. И в этом случае незначительные размеры образуемых нарушенных зон и точечный характер изменений горного массива не позволяют говорить об образовании искусственных грунтов.

В большинстве случаев человек целеустремленно изменяет свойства горных пород в нужном ему направлении. Различными инженерными мероприятиями, изменяя состав и свойства горных пород, он добивается повышения их плотности, прочности и устойчивости, уменьшения водопроницаемости и т.п.

Для улучшения условий строительства находящиеся в недоуплотненном состоянии глинистые и песчаные породы подвергают поверхностному уплотнению с помощью плит или трамбовочных снарядов, сбрасываемых на грунт с определенной высоты. Способ уплотнения тяжелыми трамбовками часто используется для устранения просадочных свойств лёссовых пород на глубину до 3 м и более. В процессе воздействия тяжелых трамбовок в лёссовых породах происходят деформации уплотнения, возникающие в результате перемещения частиц грунта или их агрегатов при разрушении структурных связей.

Подобные деформации приводят к созданию нового искусственного грунта, с более плотной упаковкой частиц, имеющего отличную от лёссовых пород структуру и текстуру, не обладающего просадочными свойствами и т.п.

Различные способы закрепления горных пород применяются для существенного преобразования их состава, состояния и свойств в направлении повышения плотности, прочности, монолитности и устойчивости, уменьшения водопроницаемости, деформируемости и разрушаемости, что приводит к созданию новых, неизвестных природе геологических образований. В настоящее время довольно широко применяется целый ряд способов глубинного закрепления грунтов: одностворная и двустворная силикатизация песчаных грунтов, глиносиликатные и алюмосиликатные тампонажные растворы для создания противофильтрационных завес в гидротехническом строительстве, однорастворный способ закрепления просадочных лёссовых пород, электрохимическое закрепление глинистых грунтов, цементация, битумизация, способ смолизации и т.д.

Дальнейшее развитие химической промышленности, значительное увеличение и удешевление производства полимеров, силикатов и кислот будет способствовать еще большему использованию этих неизвестных в природе соединений для упрочнения горных пород в основании сооружений, дорожных и аэродромных покрытий, в шахтном строительстве, в откосах каналов и насыпей, для создания противофильтрационных завес и экранов в гидротехнических сооружениях, при осушении месторождений полезных ископаемых и пр.

При попытке дифференцировать на типы грунты, объединяемые понятием "культурный слой" приходится сталкиваться с вряд ли преодолимыми затруднениями. Они связаны с исключительным разнообразием больших и малых, сложных и простых технологических процессов образования и накопления таких грунтов. Часто невозможно даже установить граничные условия для разделения этих процессов. Накопление грунтов культурного слоя - результат стихийного складирования в самых разнообразных пропорциях разновидностей существенно измененных горных пород, технологических и строительных отходов многочисленных и разноплановых производств и разных бытовых отходов.

С интересным случаем, характеризующем разнообразие накоплений культурного слоя, столкнулись строители при бойке свай на одном из московских объектов. На глубине 6 м свая от удара сначала погружалась, но как только начинался подъем молота, она тут же возвращалась в исходное положение. Такие циклы ударов, вызывающие возвратно-поступательное движение сваи, продолжались до тех пор, пока оголовок сваи не был полностью разрушен. Только раскопка объяснила причину происходящего: в этом месте была свалка отходов резиновых изделий (автомобильных покрышек и др.) значительной мощности.

Мощность культурного слоя достигает больших величин в пределах крупных, давно возникших городов. Например, в Москве на отдельных участках она превышает 20 м, в Ташкенте - 18, Саратове – 15 м, Одессе – 20 м, Новгороде – 14 м, Сан—Франциско—23 м (Ананьев, Коробкин; Котлов, Котлов, Братнина, Сипягина).

Характерная особенность грунтов культурного слоя наряду с разнородностью их состава и сложения - наличие в них органических включений, достигающих 30% и более. Характер их распределения учтен частной классификацией, приведенной в табл. 15. В ней выделяется рассеянное распределение органических включений по всей толще насыпи, а также гнездовое или линзовое. В насыпях, отсыпанных на всю высоту, органические вещества обычно рассеяны в общей массе грунта, а в насыпях, отсыпанных послойно, они образуют скопления в виде гнезд или линз.

Изменение уровня грунтовых вод, например в городах, усиливает процессы разложения органического вещества, что вызывает разуплотнение грунтов и часто служит причиной оседания построенных на них сооружений. Одной из причин значительных осадок здания гостиницы "Метрополь", построенного в 1898-1907 гг., наряду с такими факторами, как проходка метро, вибрация от движения транспорта и др., является процесс разложения органического вещества в составе искусственных грунтов, мощность которых под зданием достигает 9 м; с 1936 по 1951 г. осадки "Метрополя' составили 31-43 мм.

В связи с отсутствием обобщающих работ по поведению оснований из искусственных грунтов под действием зданий и сооружений рассмотрим материалы обследований 202 насыпей (Грушева), с учетом некоторых климатических, инженерно-геологических и гидрологических особенностей мест их расположения. В обследованных насыпях примерно 11% всех случаев деформаций происходило преимущественно из-за оседания, вызванного уплотнением грунтов, и 9% - в связи с податливостью подстилающих насыпь пород. Около 10% деформаций приходилось на поверхностные оплывы откосов, 56% - на глубокие оползания откосов, около 7% - на оползания по косогору, а остальные 7% деформаций вызывались разными причинами. Наибольшее количество случаев деформаций приходилось на насыпи высотой 10-20 м (45%) и 5-10 м (30%). Особенно часто деформации происходили осенью, после обильных дождей, причем наименее устойчивыми оказались недавно (до 5 пет) отсыпанные насыпи.

На основании приведенных данных можно, видимо, заключить, что деформации насыпей обычно зависят от одновременного действия ряда факторов (определение роли каждого из которых часто вызывает большие трудности).

Поведение толши искусственных грунтов в качестве оснований зависит прежде всего от характера самих грунтов, а именно от их состава, сложения, плотности, влажности, водопроницаемости, сжимаемости, сопротивления сдвигу и др.

Большое значение имеет также характер подстилающих пород, их податливость под действием веса насыпей.

Заметное влияние на прочность толщи оказывают способы ее образования, включая технологические особенности укладки отдельных слоев и их уплотнения.

Важная роль должна быть отведена действию воды, так как деформируемость грунтов, особенно глинистого состава, прямо зависит от их влажности. Увеличение влажности может резко изменить компрессионные параметры грунтов, их объемный вес, сопротивление сдвигу и другие показатели. Не менее велика роль влажности при деформациях, связанных с мерзлотными процессами: при промерзании и оттаивании устойчивость насыпи изменяется от наличия или отсутствия в ней линз и прослоев льда, приводящих при оттаивании к образованию полостей, заполняемых талой водой (при отсыпке насыпей из мерзлых грунтов в качестве обязательного условия должно соблюдаться требование разбивки мерзлых комьев и уплотнения грунта).

Все эти факторы с учетом величины и характера действующих на основание нагрузок от инженерных сооружений определяют степень деформируемости основания из искусственных грунтов. Очевидно, если толщи искусственных грунтов по условиям образования, составу, сложению и обводненности существенно отличаются от природных, то в основу их типизации должны быть положены свои специфические признаки, определяющие поведение искусственных грунтов в качестве оснований зданий и сооружений. При этом важно отметить, что большая изменчивость физико-механических свойств искусственных грунтов предопределяет необходимость учета всех факторов воздействий.

Проектирование оснований из искусственных грунтов

Проектирование оснований зданий и сооружений должно вестись исходя из строения и свойств грунтовой толщи, с учетом конструктивных и объемно-планировочных особенностей сооружений. В связи с неравномерной сжимаемостью искусственных грунтов необходимо считаться с возможностью проявления существенных абсолютных осадок, вызванных давлением сооружений, вибрацией оборудования и транспорта, процессами разложения органических включений и т.д.

При невыполнении требований расчета по предельным состояниям могут быть применены следующие мероприятия, обеспечивающие нормальную эксплуатацию сооружений: уплотнение оснований в цепях уменьшения величин осадок до допустимых; замена искусственных, грунтов другими, меньшей сжимаемости; прорезка искусственных грунтов (всей толщи или ее части) глубокими опорами или сваями; водозащитные мероприятия, если нарушение прочности основания или превышение предельных осадок обусловлены замачиванием; конструктивные мероприятия, если способы подготовки оснований окажутся недостаточными или дорогостоящими.

Уплотнение грунтов при горизонтальном залегании слоев (1 и 2) достигается поверхностным уплотнением их тяжелыми трамбовками или послойной укаткой, глубинным уплотнением грунтовыми (известковыми и т.д.) сваями, устройством временной грунтовой пригрузки (особенно в слабых и водонасыщенных грунтах).

Прорезка грунтов (частичная или полная) глубокими опорами или сваями производится с целью уменьшения абсолютных осадок или выравнивания неравномерных осадок. Для случаев залегания слоев целесообразно устройство подушек из песка, гравия и шлаков или замена искусственных грунтов малосжимаемыми грунтами по всей площади застройки, особенно при наличии в основании отходов производства свалок и пр., или полная прорезка искусственных грунтов.

Для устранения влияния замачивания на изменение свойств грунтов целесообразно, в зависимости от вида источника замачивания (верховодка, местное замачивание, подъем грунтовых вод), такое размещение сооружений, которое исключало бы воздействие производств с мокрым технологическим процессом или обеспечивало бы прокладку коммуникаций в обход площадки.

Конструктивные мероприятия при возведении сооружений на искусственных грунтах должны быть направлены в основном на увеличение прочности сооружений при больших абсолютных осадках и на снижение в них дополнительных усилий от неравномерных осадок. Эти мероприятия включают разрезку зданий осадочными швами, применение армированных поясов, увеличение площадей опирания несущих элементов и прочности стыков и т.д.

При проектировании сооружений на искусственных грунтах необходимо учитывать опыт местного строительства - состояние существующих зданий, тип фундаментов, характер повреждений и т.д.

Для случаев. (1 и 2) можно применять гибкую или комбинированную конструктивную схему надземной части, отдельно стоящие фундаменты с одинаковой или близкой по величине глубиной заложения. Для (1 и II ) необходима проверка несущей способности основания, а для (III и IV) - учет нестабилизированного состояния грунта. Выбор типа и конструкции фундаментов при гибкой конструктивной схеме, которая обеспечивается устройством осадочных швов, шарнирным сопряжением элементов каркаса, применением скользящего опирания ригелей, фундаментных балок и т.д., производится в увязке с конструкцией верхнего строения и типом оснований.

Для предпочтительней жесткая конструктивная схема, что обеспечивается замоноличиванием узлов каркаса, устройством поэтажных железобетонных поясов и вертикальных диафрагм, а также постановкой связей-распорок между отдельными фундаментами.

В грунтах, имеющих малый модуль деформации, или в грунтах с резким изменением свойств по глубине рекомендуются свайные фундаменты, прорезающие искусственные грунты или коробчатые плитные фундаменты. Для зданий с жесткой конструктивной схемой допускаются ленточные фундаменты (монолитные или сборные с монолитным поясом), для каркасных зданий предпочтительны отдельно - стоящие фундаменты или фундаменты в виде перекрестных лент, а при больших нагрузках - жесткие плитные фундаменты.

Сооружения башенного типа (дымовые трубы, водонапорные башни, дома повышенной этажности) при залегании слоев (3-5) возводить без проведения мероприятий по обеспечению надежности оснований нельзя. В подобных случаях, особенно при чувствительном к наклонам технологическом оборудовании, в подвалах зданий следует предусматривать домкраты с целью выравнивания конструкций. При ленточных фундаментах рекомендуется устраивать распределительные пояса (фундаменты под массивы или оборудование проектируются отдельно стоящими).

Фундаменты мостовых опор и арочных систем должны заглубляться в крупнообломочные грунты, крупные и средней крупности пески, а также в глины твёрдой консистенции не менее чем на 0,5 м. Трубы в обводненных грунтах следует прокладывать на опорах или уплотненных подушках с противофильтрационными экранами.

Особо следует выделять случаи изменения сжимаемости грунтов из-за выклинивания или непараллельности слоев (3-5), неравномерного их увлажнения в пределах деформируемой зоны, различий в величинах нагрузок под отсеками зданий и на полы складов и т.д.

Расчетная модель основания (упругое или нелинейное деформируемое полупространство, слой конечной толщины, Винклерово основание) принимается в зависимости от типа напластований, особенностей сооружения и физико-механических свойств грунтов. Расчетные давления под фундаментами устанавливаются с учетом однородности состава, состояния и свойств искусственных грунтов, способа и давности их образования и т.д.

< Назад