Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Развитие производительных сил северных районов вызывает необходимость соответствующего объёма строительства жилищного фонда и других объектов инфраструктуры. При этом для строительства в первую очередь выбирают благоприятные участки, площадь которых существенно сокращается. Обычно населённые пункты располагают вблизи рек и озёр, к которым примыкают поймы со старичными озёрами, заболоченными понижениями, затапливаемые в паводковые периоды. Такие территории осваиваются для организации зон отдыха и расширения жилых массивов. Достоинством их является возможность осуществления компактных планировочных решений, обеспечения выхода населённых пунктов к водоёмам, организации комфортабельных зон отдыха и комплексного выполнения реконструкции зданий и сооружений. Инженерная подготовка пойменных территорий, направленная на недопущение подтопления, ликвидацию заболоченности, увеличение несущей способности грунтов, как оснований зданий и сооружений, может быть выполнена способом гидронамыва грунтов, характеризующимся высокой производительностью разработки, транспортирования и укладки подрусловых отложений, сложенных песчаными грунтами с высокой несущей способностью. В условиях распространения многолетнемерзлых грунтов применение гидромеханизации для устройства строительных площадок приводит к растеплению многолетнемерзлых грунтов основания. Необходимым условием эффективного применения гидронамыва в этих условиях является разработка надёжных методов многолетнего прогноза температурно-влажностного режима и несущей способности грунтового массива, а также выбор технологии намыва и метода строительства. Несмотря на сложности решению этих задач, в г. Якутске в пойме р. Лены впервые на значительной площади осуществлён гидронамыв грунтов для строительства жилых домов. Работы по намыву грунтов на первой площадке (микрорайон 202) были проведены в конце 1970-х – начале 1980-х гг., а на второй площадке (микрорайон 203) в 1990–1992 гг. Окончательное формирование площадки под застройку микрорайона 203, откуда были отобраны образцы грунта для исследования, было завершено летом 2013 г., когда был восстановлен слой вывезенного намывного грунта на юго-западной части территории. Для устройства намывной территории была выбрана городская протока р. Лены, представляющая собой совокупность участков береговой отмели, низкой и высокой поймы с абсолютными отметками поверхности от 84,0–87,0 до 90–93,5 м. Разность отметок поверхности пойменного комплекса обычно не превышает 8,0 м, поверхность надпойменной террасы возвышается над поймой в среднем также на 6,0–8,0 м. Территория характеризуется наличием большого количества старичных озёр различной конфигурации, разной площади и протяжённости. Пойменный комплекс находился в стадии активного заиливания, торфообразования и зарастания луговой травой и ивняком. Пойма р. Лены практически ежегодно подвергается затоплению весенними паводковыми водами, а в отдельные годы и летними паводками. Территория намывных грунтов микрорайона 203 является самостоятельной природно-технической системой, для которой характерна своеобразная природная обстановка. Исследуемый район расположен в зоне сочленения склона Алданской и южного борта Вилюйской синеклизы. На этой территории выделяются два структурных яруса: архейский кристаллический фундамент и покрывающий его осадочный чехол, включающий породы протерозоя, кембрия, юры, мела, неогена и четвертичных отложений. В строении осадочного чехла участвуют морские карбонатные, терригенно-карбонатные, а также терригенно-континентальные отложения палеозойского и четвертичного возраста [1]. Коренные породы повсеместно перекрыты современными пойменными и верхнечетвертичными аллювиальными отложениями. В понижениях рельефа грунты представлены оторфованными и заиленными супесями и суглинками мощностью 3,5–4,3 м. Аллювий представлен в основном песками различной крупности, в котором нередко встречаются супеси и суглинки мощностью до 1,5–2,0 м. Общая мощность аллювиального комплекса в пределах поймы составляет 18,0–22,5 м. Мощность намывных грунтов в зависимости от морфологии естественного основания оставляет 8,5–10,0 м. на гривах и прирусловых валах поймы, 12,0–14,0 м на участках погребённых старичных озёр. На территории намывных грунтов развиты надмерзлотные воды, преимущественно приуроченные к нижней половине талой зоны мощностью в среднем 17,5 м при максимальных размерах талика 26,0 м. По химическом составу эти воды относятся к пресным гидрокарбонатно-кальциевым. Максимальным и постоянным водонасыщением обладают талые грунты на границе с мёрзлыми, ежегодно пополняемые паводковыми водами по погребённым (реликтовым) таликам, сообщающимся с подрусловыми водами реки Лены, а также водами надмерзлотного талика. Основное питание подземных вод территории намыва осуществляется за счёт фильтрации речной воды через песчаную толщу по погребённым таликам. Составляющая водного баланса за счёт атмосферных осадков незначительна – около 230–250 мм в год. Рассматриваемая территория расположена в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород мощностью до 240–310 м. Глубокие надмерзлотные, и возможно, сквозные гидрогенные талики приурочены к углублённым участкам русла городской протоки р. Лены. Талики мощностью до 15,0–20,0 м характерны и для двух стариц, частично погребённых при намыве 202 и 203 микрорайонов. На остальной части площади до намыва были развиты талики мощностью до 6,0–8,0 м. По результатам исследований [1] перед намывом надмерзлотные талики мощностью 0,2–2,1 м в основном имели распространение на плоских межстаричных пространствах и прирусловых гривах, где формировались многолетнемерзлые породы не сливающегося типа. В разные годы в зависимости от условий увлажнения грунтов в предзимний период, времени затопления территории летними паводками, изменения толщины снежного покрова и других факторов значения мощности и площади надмерзлотных таликов могли как увеличиваться, так и уменьшаться, вплоть до полного их промерзании. Современные природные условия способствовали новообразованию многолетнемерзлых пород в таликах береговой части старичных озёр и увлажнённых понижениях. Температура грунтов поймы в целом колебалась от 0 °C до – 2 °C. На гривах и плоских межстаричных участках она минимальная, а на участках с не сливающейся мерзлотой и в старичных понижениях изменялась от 0 до 0,5 °C [1]. Процесс промерзания намывных грунтов чаще всего происходит без видимого льдообразования в связи с интенсивной фильтрацией летних атмосферных осадков в предзимний период. Верхняя граница многолетнемерзлых грунтов на намытой территории микрорайона 203 вследствие деградации погребённой криолитозоны существенно понизилась. В процессе намыва грунтов способом гидромеханизации вместе с пульпой происходил приток значительного количества тепла к кровле многолетней мерзлоты. Как отмечали [1], в процессе намыва площадки микрорайона 202 верхняя граница многолетнемерзлых пород уже на начальном этапе производства работ в конце 1970-х – начале 1980-х гг. в среднем понизилась на 1,0–5,0 м. На процесс деградации многолетнемерзлых пород влияет ежегодное поступление в намытую толщу и подстилающие грунты паводковых вод через высокопроницаемые песчаные намывные грунты с коэффициентом фильтрации до 10–15 м/сутки. Подземные воды надмерзлотных таликов в намывных и подстилающих грунтах оказывают определяющее значение в формировании температурного режима многолетнемерзлых и сезонно-мёрзлых грунтов. Как показывают результаты наблюдений за температурой грунтов на незастроенной территории с мощной толщей намытого массива, верхняя граница многолетнемерзлых пород может находиться на различных стадиях стабилизации. Криолитозона в контактной зоне с водоносным таликом может быть деградационной, аградационный или стабилизированной. Низкоградиентные и безградиентные температуры грунтов ниже подошвы слоя годовых теплооборотов в подстилающих намывную толщу грунтах на территории микрорайона 203 могут свидетельствовать как о стабилизации нарушенного в ходе и после намыва их теплового поля, так и продолжении деградационного процесса в верхнем горизонте погребённой криолитозоны. Техногенные намывные грунты и верхняя часть грунтов естественного основания находятся в талом состоянии. Глубина сезонного промерзания на намывной территории составляет около 4,5 м. Мерзлотные условия сложные и изменчивые, так как находятся под воздействием многих факторов, взаимодействующих в различных сочетаниях. Основные из них – состав отложений, режим дренирования слоя сезонного промерзания, испарение с поверхности в летний период, мощность снежного покрова, инфильтрация атмосферных осадков. Физические свойства этих грунтов изучены очень слабо. Целью исследования является определение плотности скелета и пористости песчаного намывного грунта по данным стандартных компрессионных испытаний, необходимых для принятия оптимальных конструктивных решений фундаментов и технологий их возведения.

Материалы и методы исследования

По гранулометрическому составу испытанный грунт классифицируется как песок средней крупности [2], который в основном слагает массив намытой территории микрорайона 203 (табл. 1).

Основные физические свойства испытанного песчаного грунта представлены в табл. 2.

Таблица 1

Результаты гранулометрического анализа исследуемого грунта

Таблица 2

Физические свойства исследованного песка

а) б)

Прибор компрессионных испытаний образцов грунта: а) общий вид, б) одометр, 1 – основание; 2 – гайка; 3 – штамп; 4 – образец грунта; 5 – втулка; 6 – держатель; 7 – шток; 8 – винт; 9 – манжета; 10 – фильтр; 11 – уплотнительное кольцо

В Российской Федерации в настоящее время действует нормативный документ [3], в котором рекомендуется определять методом компрессионного сжатия следующие характеристики: коэффициент сжимаемости, модуль деформации, структурную прочность на сжатие, коэффициенты фильтрационной и вторичной консолидации, и для песков мелких и пылеватых, глинистых грунтов с показателем текучести Il > 0,25, органо-минеральных и органических грунтов, относительное суффозионное сжатие для засоленных песков (кроме гравелистых), супесей и суглинков, начальное давление суффозионного сжатия. Данная установка (рисунок) для испытания грунта включает в себя [4]: а) станина с нагрузочным устройством и б) компрессионный прибор (одометр).

Данные компрессионных испытаний позволяют определять также плотность и пористость грунтов на всех ступенях давления [5, 6]. Для этого из исследуемого грунта изготавливают два идентичных образца, один из которых используют для определения начальных значений плотности и пористости грунта. Для этого определяют начальный объем образца, высушивают его при температуре 105 °С до установления постоянной массы, определяют массу высушенного образца и вычисляют начальную плотность и пористость грунта. Второй образец помещают в металлический цилиндр компрессионного прибора, испытывают его под ступенчато-возрастающим давлением с выдержкой на каждой ступени до условной стабилизации деформации и определяют абсолютную деформацию образца. При испытании образца в условиях невозможности бокового расширения объем его изменяется только за счёт продольной деформации.

Пористость грунта на i-й ступени давления можно выразить зависимостью

(1)

где ρ_d,i – плотность скелета грунта на i-й ступени нагрузки; ρ_s – плотность твёрдых частиц.

Плотность скелета грунта на i-й ступени давления можно представить в виде

(2)

где md – масса высушенного образца; Vi – объем образца на i-й ступени давления.

Входящие в (2) составляющие определяются по формулам

(3)

(4)

где S – площадь поперечного сечения образца; ho – начальная высота образца; Δh_i – приращение высоты образца на i-й ступени давления.

Подставив (3) и (4) в (2), находим выражение плотности грунта на i-й ступени давления

(5)

После подстановки (5) в (1), выражение пористости грунта принимает вид

(6)

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 3 представлены для каждой ступени нагружения расчётные значения плотности скелета и пористости грунта, полученные по данным компрессионных испытаний.

Таблица 3

Расчетные значения плотности и пористости грунта на ступенях давления

Как видно из табл. 3, с увеличением давления, как и следовало ожидать, плотность грунта повышается, а пористость его уменьшается.

Заключение

Экспериментальные исследования позволили:

1. По данным компрессионных испытаний намывных грунтов на каждой ступени давления можно определить стабилизированные значения плотности и пористости.

2. На методы определения плотности и пористости грунтов по данным компрессионных испытаний грунтов получены патенты Российской Федерации на изобретения.