Аннотация 2
Продолжение содержания 4
Графические приложения 4
Список иллюстраций 4
Список таблиц 6
Список обозначений и сокращений 6
Введение 7
1. Физико-географический очерк 9
2. Изученность инженерно-геологических условий 10
3. Геологическое строение 11
4. Гидрогеологические условия 14
5. Специфические грунты 19
5.1. Методика определения суффозионного сжатия 22
5.2. Методика определения коэффициента фильтрации 24
6. Геологические и инженерно-геологические процессы 27
6.1. Факторы развития карстово-суффозионных процессов 28
6.2. Распространение, характер и интенсивность карстово-суффозионных
процессов 31
7. Геофизические исследования 58
7.1. Результаты георадиолокационной съемки 58
7.2. Результаты вертикального электрозондирования 60
8. Численное моделирование карстово-суффозионных процессов 63
8.1. Метод конечных элементов в механике деформируемого твердого тела 63
8.2. Программный комплекс «Plaxis» 64
8.3. Использование программного комплекса «Plaxis» для нахождения
критического диаметра карстовой воронки 65
Заключение 70
Список использованных источников
В рамках магистерской программы предусмотрено прохождение производственной практики. Практика была пройдена в ИГиНГТ на кафедре общей геологии и гидрогеологии в должности инженера. Производственная практика состояла из двух этапов. Первый этап - рекогносцировочное обследование территории исследования, проходка шурфов, отбор проб воды. Второй этап - камеральная обработка материалов полевых наблюдений, лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов, проведение химического анализа воды, а также численного моделирование процесса.
Актуальность темы исследования. Карст является одним из наиболее опасных природных процессов на Земле из-за внезапности проявления в виде провалов и оседаний земной поверхности, иногда достигающих 50-100м и более в диаметре и в глубину. В России карстовым деформациям подвержено около 13% территории - г.Москва, Республика Башкортостан, Республика Татарстан, Крымская Республика, а также территория Нижегородской области и Пермского края.
Немалая часть экономических и хозяйственных потерь приходится на Республику Татарстан (РТ), где за период с 1845 по 2003 г. было зафиксировано более 80 катастрофических карстовых провалов, приведших к деформациям и разрушению многих объектов хозяйства, а также инженерных сооружений.
В настоящее время интенсивность образования карстовых провалов на территории республики увеличилась до 1-2 случаев в год в результате роста статических и динамических нагрузок зданий и сооружений на геологическую среду, а также изменения режима подземных вод на урбанизированных территориях, побережьях водохранилищ и в районах нефтегазодобычи. Однако многие карстовые деформации не фиксируются по причине их образования в малонаселенной местности, либо ввиду отсутствия службы карстового мониторинга. Поэтому степень карстовой опасности отдельных крупных по площади территорий Татарстана и России в целом остается практически неизвестной, что чревато серьезными чрезвычайными ситуациями из -за непринятия соответствующих мер по предотвращению возможных ущербов.
В связи с этим изучение инженерно-геологических условий подобных территорий становится весьма актуальным.
Цель работы заключается в комплексном изучении инженерно-геологических условий территории исследования для выявления основных закономерностей формирования карстово-суффозионных процессов.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие основные задачи:
- сбор и анализ данных по инженерно-геологической изученности исследуемой территории и сопредельных территорий;
- рекогносцировочное обследование территории исследования и сопредельных территорий;
- лабораторные определения физико-механических свойств карбонатно-глинистой муки;
- анализ напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи на
исследуемой территории с учетом планируемой застройки;
- численное моделирование карстово-суффозионной опасности с использованием программного комплекса Plaxis;
- изучение и выделение основных условий формирования карстово- суффозионных форм рельефа;
- разработка рекомендаций по инженерной защите территории от развития карстово-суффозионных процессов и выбору оптимальных типов фундаментов строящихся зданий.
Объектом исследования магистерской диссертации является территория строящегося коттеджного поселка «Университетский городок КФУ».
В работе использованы традиционные методы сбора и обработки геологической информации, а также современные методы накопления и статистической обработки данных и построения картографических моделей и разрезов (MS Exel, AutoCAD, Corel Draw, Plaxis).
Автор выражает огромную благодарность и искреннюю признательность научному руководителю, кандидату технических наук, Латыпову А.И., а также Муравьеву Ф.А., Жарковой Н.И., Тер-Мартиросяну А.З. за оказание консультативной и методической помощи при написании магистерской диссертации.
Согласно приложению «Б» СП 11-105-97 инженерно-геологические условия территории исследования относятся к III категории сложности, что обусловлено следующим:
- наличием 13 различных по литологии слоёв с изменяющейся мощностью и линзовидным залеганием слоев;
- широким распространением геологических и инженерно-геологических процессов и явлений (суффозия, оврагообразование, наличие провальных форм), отрицательно влияющих на условия строительства и оказывающих решающее влияние на выбор проектных решений;
- наличием и возможностью формирования подземных вод типа «верховодка»;
- наличием на участке исследования специфичных грунтов - карбонатно-глинистой муки ИГЭ 10б, среднепермских глины ИГЭ 12 и алевролита ИГЭ 14, набухающих и пучинистых суглинков ИГЭ 3 а, 3б, 3в.
По результатам выполненных исследований толща грунтов на площадке до разведанной глубины 25м является неоднородной, в ее пределах выделяются 13 ИГЭ.
Несущими инженерно-геологическими элементами будут служить пески ИГЭ №5, 6,7, супеси ИГЭ 4б, суглинки ИГЭ №3а, 3б, 3в, глины ИГЭ №12, алевролиты ИГЭ №14, карбонатно-глинистая мука ИГЭ №10б.
Гидрогеологические условия площадки до изучаемой глубины 25м характеризуются локальным развитием подземных вод типа «верховодка». По химическому составу воды верховодки гидрокарбонатные, магниево-кальциевые с минерализацией 0,3-0,6 г/л и общей жесткостью 13-170Ж.
При проектировании оснований фундаментов необходимо учесть прогноз изменения гидрогеологических условий на участке изысканий в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений, а именно возможное образование техногенного водоносного горизонта (верховодки) в верхней части инженерно- геологического разреза вследствие:
- инфильтрации атмосферных осадков при нарушении поверхностного стока (задержанного земляными отвалами, проездами, насыпями);
- накопления воды в обратных засыпках траншей и котлованов во время строительства;
- инфильтрации утечек из подземных водонесущих коммуникаций в период эксплуатации;
- снижение величины испарения вследствие покрытия участка асфальтом, зданиями и сооружениями.
Согласно приложения И СП 11-105-97 участок изысканий является потенциально подтопляемым (11-Б1) в результате ожидаемых вышеуказанных техногенных воздействий (возможное формирование техногенной верховодки).
Наиболее существенное влияние на выбор проектных решений на исследуемой площадке будет оказывать ИГЭ 10б - карбонатно-глинистая мука, имеющая широкое распространение по площади и глубине. Специфичным для карбонатно-глинистой муки является высокая вариативность физико-механических характеристик, связанная, прежде всего, с неоднородностью грунтового массива, его различной степенью выветрелости, различным процентным содержанием карбонатных включений, неравномерной обводненностью и т.п. Все это в совокупности с гидрогеологическими условиями территории повлекло развитие карстовых и карстово-суффозионных процессов в западной, северной и центральной части района территории общей площадью 89402м2.
В рельефе карстовые явления наиболее ярко выражены в виде котловины глубиной до 28м, образованной группой крупных карстовых воронок, расположенных цепочкой.
Всего на территории изысканий было выявлено 380 карстово-суффозионных воронок различной свежести, образовавшиеся в результате суффозионного выноса из толщи песков и супесей ИГЭ № 4б, 5, 6, а также карбонатно-глинистой муки ИГЭ 10б в глубинную зону разуплотнения и последующего обрушения грунтов кровли.
Благодаря геофизическим исследованиям удалось установить, что процессы разрушения и суффозионного разуплотнения карбонатных пород происходят в как в малоглубинном (2-10м), так и глубинном (свыше 30м) интервалах.
Оконтуривание зоны разрушении и разуплотнения в плане позволило выделить территорию возможного развития карстово-суффозионных процессов площадью 67066 м2, показанную на листе 2 графического приложения.
Данные рекогносцировочного обследования, подробно описанного в разделе 6, показали, что активность карстово-суффозионных процессов в северной и центральной частях в настоящее время весьма высокая. Одной из причин активизации является значительно возрастающая техногенная нагрузка на геологическую среду вследствие застройки территории, примыкающей к северной части. Это дает основание для предположения, что после начала строительства карстово-суффозионные процессы и на других участках, не имеющих в настоящее время внешних признаков проявления, могут активизироваться.
Таким образом, в пределах университетского городка по интенсивности провалообразования выделяются следующие категории (по СНИП 22-03-2003):
I - 246 сл./км2 в год - северо-западная часть (89402м2). По среднему диаметру провалов - категории «Г» и «В» (до 3 м и 3-10м соответственно);
IV - 0,012 сл./км2 в год - центральная и северо-восточная часть, локально западная (67066м2). По среднему диаметру провалов - категории «А» и «Б» (свыше 20м и 10-20м соответственно);
V - менее 0,01 сл./км2 в год - юго-восточная часть (138500м2).
Необходимо отметить, что согласно СНИП 22-03-2203 категория устойчивости относительно интенсивности образования карстовых провалов оценивается по внешним формам рельефа. Именно поэтому центральная и северо-восточная части были отнесены к IV категории. Однако применение современных методов исследования, в частности, георадиолокационной съемки, позволяют сделать вывод о высоком риске появления карстово-суффозионных форм в период эксплуатационного срока службы проектируемых зданий и сооружений. Поэтому для данной области рекомендуется предусмотреть выполнение специальных инженерно-защитных мероприятий, предлагаемых ниже. Вышеобозначенные области показаны на листе 2 Графического приложения.
По результатам испытаний на морозное пучение грунты площадки ИГЭ 3 а, 3б, 3в обладают среднепучинистыми свойствами. Грунты ИГЭ 4, 5, 6 относится к слабопучинистым.
По результатам химического анализа водных вытяжек грунты площадки обладают высокой коррозионной агрессивностью к свинцовой и алюминевой оболочке кабеля, слабоагрессивны к бетонам марок W4, W6, W8 и к железобетонным конструкциям, и обладают высокой агрессивностью к углеродистой стали.
На основании анализа данных бурения, геофизических исследований, оценки гидрогеологической обстановки и лабораторных испытаний грунтов установлено, что в область развития карстово-суффозионных процессов попадают участки с номерами 9, 18, 19, 20, 34, 118, территории зданий универсального комплекса, детского сада и школы. Для примыкающих к области участков с номерами 6, 7, 8, 35, 119, 120
опасность развития в краткосрочной перспективе неблагоприятных явлений достаточно высокая.
В область возможного развития карстово-суффозионных процессов дополнительно попадают участки с номерами 14, 15, 16, 17, 21, 121, 122, 123.
Для снижения воздействия опасных геологических и инженерно-геологических процессов на проектируемые здания и сооружения рекомендуется выполнить следующие мероприятия:
Рекомендуемые инженерно-защитные мероприятия:
1. водозащитные:
- вертикальная планировка территории с регулируемым поверхностным стоком;
- устройство наземной ливневой канализации с отводом вод за пределы застройки участков;
- недопущение скопления поверхностных вод в котлованах и на площадках в период строительства;
- недопущение утечек из водонесущих коммуникаций в период эксплуатации;
2. конструктивные:
- рекомендуемый тип фундамента для участков с номерами 6, 7, 9, 18, 19, 20 - монолитная железобетонная плита/монолитный железобетонный ростверк по буронабивным сваям (рекомендуемый опорный слой свай - среднепермские глины ИГЭ 12, алевролиты 14, КГМ 10б);
- учитывая высокую неоднородность элювиальных грунтов ИГЭ 10б, ИГЭ 12 и ИГЭ 14 несущую способность свай рекомендуется определить полевыми испытаниями;
- рекомендуемый тип фундамента для участков 8, 14, 15, 16, 17, 21, 34, 35, 118, 119, 120, 121, 122, 123 - монолитная железобетонная плита;
- не рекомендуется применение сборных фундаментов;
- не рекомендуется устройство отдельно стоящих фундаментов;
- рекомендуется предусмотреть мероприятия по увеличению жесткости и прочности надфундаментной части зданий, например, за счет применения монолитных железобетонных поясов;
3. геотехнические:
- закрепление грунтового массива цементно-песчаным-глинистым раствором в контурах выявленных провальных форм в интервалах сжимаемой толщи;
- заполнение (тампонаж) образовавшихся провалов;
- исключение динамического воздействия на грунты основания в период строительства и эксплуатации;
- постоянный геодезический контроль за деформациями зданий и сооружений;
- устройство системы мониторинга за развитием опасных геологических процессов.
1. Гидрогеологические и инженерно-геологические условия г.Казани/Под ред.А.И.Шевелева. - Казань: Изд-во Казанского университета, 2012. - 236с.
2. Королев М.Е., Соколов М.Н., Нелидов Н.Н. Геологические экскурсии в Приказанском районе. - Казань, КГУ, 1974. - 105 с.
3. Малышева О.Н., Нелидов Н.Н., Соколов М.Н. Геология района г. Казани. - Казань:Изд-во Казанского университета, 1965. - 120 с.
4. Мирзоев К.М., Степанов В.П. и др. Глубинный карст и современные движения земной поверхности в Татарстане / Георесурсы №1 (18) 2006г.
5. Технический отчет по результатам инженерно-геологических изысканий «Коттеджный поселок в н.п.«Село Царицыно» Советского района г.Казани» ОАО «КазТИСИз», Казань, 2008г.
6. Пояснительная записка к отчету «Проведение гравиметрических работ для оценки пораженности участка экзогенными геологическими процессами», ООО «ТНГ-Казаньгеофизика», Казань, 2008г.
7. Технический отчет по результатам инженерно-геологических изысканий на объекте: «Инженерные сети университетского городка КФУ в г.Казани РТ», «МарийскТИСИЗ», г.Йошкар-Ола, 2015г.
8. СП 47.13330.2011 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения.
9. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты.
10. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений.
11. СП 11-105-97 Инженерные изыскания для строительства.
12. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.
13. СП 116.13330.2012 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов.
14. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация.
15. ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методика статистической обработки результатов испытаний.
16. ГОСТ 21.302-96 СПДС. Условные графические обозначения в документации по инженерно-геологическим изысканиям.
17. ГОСТ 30416-2012 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
18. ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических
характеристик.
ГОСТ 23161-78 Грунты. Метод лабораторного определения характеристик просадочности.
ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения
гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.
ГОСТ 25584-90 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации.