Обширные территории нашей страны, приблизительно 20 % [5], заболочены. Наличие в геологическом разрезе торфов и высокий уровень грунтовых вод требуют дополнительных мероприятий по улучшению свойств грунтов и, следовательно, дополнительных затрат при строительстве. В связи с этим при освоении территории предпочтение отдается более благоприятным участкам. Применение новых технологий в строительстве и мелиорации грунтов позволяет при расширении хозяйственного освоения территории задействовать неудобные заболоченные участки. Необходимо отметить, что большая часть нефтяных месторождений Западной Сибири расположена в заболоченной местности.
По сравнению с минеральными (песчано-глинистыми) грунтами, торф характеризуется высокими влажностью, пористостью и сжимаемостью. Под нагрузкой 0,1–0,2 МПа осадка торфа составляет 30–50 %.
Изучением физико-механических свойств торфов занимались Амарян Л.С., Гусева В.И., Дрозд П.А. , Зарецкий Ю.К., Морарескул Н.Н., Силкин А.М. . Исследованиями их консолидации – Зарецкий Ю.К., Морарескул Н.Н. .
Следует отметить, что вопросу времени консолидации торфов, слагающих затопляемую левобережную террасу и пойму р. Кама, уделено недостаточно внимания. Поэтому целью работы является оценка времени консолидации торфов для выбора технологии строительства автодороги.
Объектом исследования является торф, залегающий в основании участка внутрипромысловой автодороги.
В территориальном отношении часть автодороги находится в пределах акватории Камского водохранилища и в прибрежной зоне р. Кама (рис. 1, 2).
В геоморфологическом отношении участок исследований представляет собой пологую заболоченную равнину с абсолютными отметками 106,69–107,94 (Балтийская система высот), третьей надпойменной террасы р. Кама.
Площадь изысканий расположена в 650–700 м от левого берега Камского водохранилища. Между ней и берегом проектируется устройство дамбы (насыпи) с водопропускным сооружением и автодорога (рис. 2).
Рис. 1. Местоположение площади изучения
Рисунок 2 – Площадь изысканий в акватории Камского водохранилища (Google Earth, снимок 2011 г.)
В пределах участка изысканий по данным буровых работ, подтвержденных лабораторными испытаниями, встречены торфы и илы, которые относятся к специфическим грунтам.
Торф – органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % и более органических веществ.
Геологическое строение, до глубины 10 м, представлено (сверху вниз) четвертичными аллювиально-биогенными и аллювиальными отложениями: торф мощностью от 0,3 до 5,6 м, глина мягкопластичная вскрытой мощностью до 2,0 м и песок средней крупности мощностью от 1,0 до 6,5 м (рис. 3).
Рис. 3 – Геологический разрез
В инженерно-геологическом разрезе торф черный, коричневато-черный, древесно-травяной, сильноразложившийся, реже среднеразложившийся, нормальнозольный и высокозольный, насыщенный водой. Торф вскрыт скважинами над песчаным грунтом (искусственно погребенный торф) и участками с поверхности.
Физико-механические свойства грунтов представлены в табл. 1.
Автодорога относится к V категории, материалом насыпи является песчано-гравийная смесь (ПГС). Высота насыпи будет определена в зависимости от величины осадки грунтов основания и, прежде всего, торфа. Время строительства – 9 месяцев, максимальное время консолидации – 6 месяцев (до степени консолидации 90 %).
Таблица 1. Физико-механические свойства грунтов
|
Номенклатура грунта |
Влажность, W, % |
Плотность, ρ, г/см3 |
Модуль общей деформации, |
|
|
Нормативный |
Расчетный |
|||
|
Торф |
431 |
1,04 |
0,15 |
0,15 |
|
Глина |
33,9 |
1,83 |
10 |
10 |
|
Песок |
19,4 |
1,94 |
26 |
26 |
Методика. В методическом плане работа строилась следующим образом:
- обосновывалась и выбиралась расчетная модель;
- рассчитывалось время осадки торфяной залежи.
Как видно из геологического строения участка исследований, в основании автодороги залегают торф, глины и пески, а материалом насыпи является ПГС, поэтому при расчете используется модель двусторонней фильтрации, и путь фильтрации равен половине мощности сжимаемой толщи.
Время, необходимое для достижения заданной степени консолидации Qv, определяется по формуле [10]:
где 
– фактор времени, принимаемый по табл. 110 «Пособия по проектированию оснований зданий и сооружений»;
– путь фильтрации сжимаемой толщи слабого грунта, равный при односторонней фильтрации мощности слоя;
– коэффициент консолидации грунта при вертикальном дренировании, м2/год.
Коэффициент консолидации для торфа равен = 1 м2/год, согласно табл. Ж.1 СП 50-101-2004 [3].
Результаты исследований времени консолидации для степени консолидации 90 % и 99 % при нагрузках Р = 0,5 кг/см2 (от насыпи) приведены в табл. 2.
Таблица 2. Время консолидации толщи специфических грунтов заданной мощности
|
Мощность |
Время консолидации при |
|
|
степени консолидации 90 % |
степени консолидации 99 % |
|
|
0,5 |
1 месяц |
1 месяц |
|
1,0 |
3 месяца |
5 месяцев |
|
1,5 |
6 месяцев |
12 месяцев |
|
2,0 |
10 месяцев |
22 месяца |
|
2,5 |
16 месяцев |
34 месяца |
|
3,0 |
23 месяца |
49 месяцев |
|
3,5 |
31 месяц |
66 месяцев |
|
4,0 |
41 месяц |
86 месяцев |
|
4,5 |
52 месяца |
109 месяцев |
|
5,0 |
64 месяца |
135 месяца |
|
5,5 |
77 месяцев |
163 месяца |
|
6,0 |
92 месяца |
194 месяца |
|
6,5 |
108 месяцев |
228 месяцев |
Из табл. 2 видно, что при степени консолидации грунтового основания автодороги 90 % время консолидации при мощности торфа 5,6 м составляет более 6 лет. Такое положение не отвечает требованиям строительства автодороги (срок строительства определен в 9 месяцев). Таким образом, уплотнять грунты основания автодороги насыпью на всем участке строительства не целесообразно.
Для выбора технологии консолидации грунтов проведено районирование трассы автодороги по методикам, изложенным в работах [2, 7, 9, 10]. В качестве классификационного показателя использован критерий мощности сжимаемой толщи Кр. Это обусловлено тем, что он определяет время консолидации грунтов основания. Граничные условия выбираются, исходя из времени консолидации. При строительстве автодороги за 9 месяцев грунтовое основание должно уплотниться за 6 месяцев. Поэтому, исходя из табл. 2, выбирается Кр. = 1,5 м сжимаемой толщи.
В результате районирования выделено 2 таксона. Первый таксон характеризуется следующими инженерно-геологическими условиями: мощность сжимаемой толщи (mc) меньше 1,5 м, время консолидации t = 6 месяцев. Второй таксон характеризуется mc > 1,5 метра и t > 6 месяцев. Построена карта районирования.
Рекомендации. Для таксона 1 технология уплотнения грунтового основания сводится к формированию насыпи из ПГС. Насыпь передает нагрузку Р = 0,5 кг/см2 грунт. Осадка торфа и ила по результатам расчетов составила 0,4–0,6 м. В течение первых двух месяцев осадка будет составлять 0,2–0,4 м, дальнейшая осадка в 0,1 м произойдет в последующие 4 месяца. В течение периода эксплуатации осадки ила и торфов прогнозируются менее 0,1 м, что допустимо по СП [3].
Для таксона 2 необходимо буронабивными сваями проходить всю сжимаемую толщу, формировать ростверк и по нему укладывать полотно автодороги.
Необходимо отметить, что использование силикатных растворов или удаление торфа в основании проектируемой автодороги не применимо в рассматриваемой водоохраной зоне р. Кама.
Выводы
Выполнена предварительная оценка времени консолидации торфов в основании автодороги V категории. В соответствии с ограничением по времени строительства (9 месяцев) и срока консолидации торфов (6 месяцев) проведено районирование, выделены два таксона. Для таксона 1 технология уплотнения грунтового основания сводится к формированию насыпи из ПГС в срок, соответствующий времени строительства. Для таксона 2 рекомендовано применение буронабивных свай с обустройством ростверка и последующим возведением автодорожной насыпи.
Рецензенты:
Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.