автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Проблемы использования мело-мергельных пород в качестве основания сооружений и их решение

р г б оа

'1С Гй\ В05

0 мпс

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ . СООБЩЕНИЯ (ШИТ).

На правах рукописи ЛЕОШЧЕВ АЛЕКСАВДР ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 624.131.54:691.215.5 (043.3)

ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕЮ-МЕРГЕЛЬШХ ПОРОД В КАЧЕСТВЕ ОСЮВАШЯ СООЕУНЕШЙ И ИХ РЕШЕНИЕ

05.23.02 - Основания и фундаменты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических неук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (Техническом Университете) и Московском Государственном Университете Путей Сообщения (МИИТе).

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, профессор

Е.А.Деметко,

докт. техн. науЛ, профессор В.Д.Казарновский, докт. геол.-минерал, наук, профессор Р.С.Зиангиров.

Ведущая организация - Акционерное общество открытого типа Гипротрансмост.

Защита диссертации состоится " 25" о5"г. в 15 ^часов на заседании Диссертационного совета Д 114.05.02 при Московском Государственном Университете Путей Сообщения (МИИТе) по адресу: 101475, ГСП, Ыосква, А-55, ул. Образцова, 15, ауд. 7618.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан "-/9 г.

Ученый секретарь • Диссертационного совета

В..П.Мальцев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Широкое распространение мело-мер-гельных пород на территориях ряда областей России, Украины, Белоруссии и Западного Казахстана при их залегании с дневной поверхности или на незначительной глубине от неё и при мощности отложений до Х00-150 метров обусловило необходимость их-использования в качестве основания или строительного материала, для возведения сооружений различного назначения.

Аномальные свойства, отсутствие нормативных и методических указаний и рекомендаций, невозможность прямого использова-. ния методик испытаний, принятых для обычных пылевато-глинистых грунтов, возможность ошибочной оценки состояния и геотехнических свойств, малая'освещенность в литературе вопросов изысканий, проектирования и строительства, ставят изыскателей и проектировщиков перед трудной проблемой оценки мело-мергельных пород как основания или материала для возведения сооружений и, нередко, приводят к ошибочным проектным решениям.

Актуальность темы диссертации обусловлена практической значимостью рассматриваемой проблемы, её слабой изученностью, влияющей на уровень проектных решений..

Целью работы является выявление особенностей геотехнических свойств мело-ыергельных пород и их определяющего влияния на опенку этих пород как основания сооружений.

В настоящей работе были поставлены следующие основные задачи:

- установить влияние условий формирования, вещественного и форменного состава на геотехнические свойства мело-мергель-ных пород в их коренном залегании;

- установить особенности прочностных свойств мело-мергель-ных пород и роль конкретных показателей в их обеспечении;

- выявить особенности деформирования мело-мергельных пород в зависимости от состава, состояния и интенсивности напряженного состояния;

- дать характеристику трещиноватости мело-мергельных пород и её влияния на водопроницаемость, прочностные и деформационные свойства;

- выявить способность мело-мергельных пород к проявлению деформаций ползучести в зависимости от их состава и состояния;

- установить характер влияния динамических воздействий на деформационные и прочностные свойства мело-мергельных пород;

- разработать метод опенки прочности мело-мергельных пород в основании сооружений в целях установления их расчетного сопротивления;

- обобщить результаты экспериментальной оценки несущей способности призматических забивных свай, погруженных нижним концом в мел, и выработать соответствующие рекомендации.

В качестве дополнительной задачи было признано целесообразным составить обзор зарубежных работ (по французским и английским источникам) по вопросу исследования мело-мергельных отложений в качестве материала для возведения насыпей автомобильных дорог.

Научная новизна работы:

I. Показано определяющее ьлияние на геотехнические ^ой-стча ыело-!.!ергелы«£>с пород их плотности, обусловленной степенью сохранности форменных компонент (кокколитов), степени доломитизагии и содержания нерастворимого остатка (И.О.). •

2. Выявлены закономерности сопротивления мело-мергельных пород сдвигу в зависимости от степени сохранности природной структуры, "плотности - влажности", содержания нерастворимого остатка и уровня нормальных напряжений на площадке сдвига.

3. Выявлерш особенности сопротивления мело-мергельных пород сдвигу по сомкнутой трещине.

4. Установлены закономерности деформирования мело-мергельных пород в зависимости от степени сохранности природной структуры, "плотности - влажности", условий деформирования и интенсивности напряженного состояния.

5. Дана оценка склонности мело-мергельных пород к проявлению сдвиговой ползучести и установлены численные значения коэффициента вязкости пород коренных разностей и при нарушенной структуре.

6. Установлен характер влияния динамических воздействий на деформационные и прочностные свойства мело-мергельных пород при различной сохранности их природной структуры. Показаны пути учета динамических воздействий при проектировании и строительстве земляных сооружений и использовании мело-мергельных пород для их возведения.

7. Предложен метод оценки прочности основания, сложенного мело-мергельными породами в коренном залегании, с учетом их геотехнических свойств..

8. Дано обобщение результатов экспериментальной опенки несущей способности забивных призматических свай, погруженных нижним концом в мело-мергельные породы,.и обоснование возможности использования в этих гелях статического зондирования грунта.

Достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций обоснована:

- теоретическими разработками, базирующимися на фундаментальных положениях механики грунтов;

- сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- подтверждением результатов.исследований работами других авторов;

- использованием результатов исследований при проектировании, строительстве и длительной безаварийной эксплуатации сооружений.

Практическая пенность работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы проектно-изыскательскими организациями -при выполнении изысканий, проектировании и строительстве сооружений различного назначения с использованием в качестве оснований этих сооружений мело-мергельных пород.

В частности, результаты исследований были использованы: Гидропроектом им. С.Я.Жука при проектировании и строительстве Белгородского, Курского и Владимирского (в Брянской области) водохранилищ, насосной станции Белгородского водохранилища, ГЭС Табка и плотины на р.Евфрат в Сирии и гидроузла. Хадита в ■ Ираке; Украинским отделением Гидропроекта им. С.П.Кука при проектировании и строительстве насосных станций канала Дцрпр-Донбасс; Гипротрансмостом при изысканиях, проектировании и строительстве автодорожного моста через р.Урал в районе . Уральска; Союздорпроектом при проектировании мостов через р. Беседь (Могилевская обл., 1984 г.) и через р.Сож (Гомельская обл., 1985 г.).

7 •

Апробация работы. Отдельные вопросы диссертации были представлены или доложены на научно-исследовательских конференциях МАДИ (Москва, 1969-1994 г.г.), УШ-м Международном Конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению (Москва, 1973 г.), на Всесоюзной конференции "Современные проблемы нелинейной механики грунтов" (Челябинск, 1985 г.), на 1-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (Москва, 1994 г.), в докладах для сотрудников отделов изысканий и .проектирования мостов Союздорпро-екта (Москва, 1985 г.) и Воронежского филиала ГипродорНИИ (Воронеж, 1988 г.), кафедры "Инженерная геология и механика грунтов" МАДИ-ТУ (Москва, 1994 г.).

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке (по заданию ЦШИС Минтрансстроя СССР) норм расчетных сопротивлений мелов под фундаментами из забивных свай (отчеты о НИР с Инв. № 02900029006 и Инв. № 02900053390) и при составлении (по заданию НИИОСП им. Н.М.Герсеванова) рекомендаций по опенке состояния и расчету оснований и сооружений, возводимых на карбонатных грунтах (мел, мергель) (отчет о НИР с Инв. № 029400022II).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 17 научных статьях, 6 депонированных рукописях, одном учебнике и 15 отчетах о НИР.:

- №№ P.P.: 68068345, 68063334, 69009147, 63063333, 70000137 , 73020831, 79043399, 730476^, 81076453;

- Инв. 02890040465, 02900029006, 02900053390, 02910038440, 02920011276, 02940002L_I.

'Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 561 страница, в том числе 265 рисунков, 55 таблиц. Список использованных-источников включает 282 наименования.

На защиту выносятся результаты исследований, представляющие собой научную новизну работы..

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел диссертации посвящен рассмотрению состояния вопроса, проблем строительства на мело-мергельных породах, особенностей формирования отложений этих пород, их состава и состояния.

Анализ литературных источников позволил установить, что использование мело-мергельных пород в качество основания сооружений или в их составе практиковалось издавна.

Начиная со второй половины XIX века в связи с развитием геологической науки и появлением информации о геологическом строении территории большинства европейских стран было установлено весьма широкое распространение мела в природе.

Было выявлено, что отложения мела и мелоподобных пород занимают значительные пространства европейской части Российской Империи, Германии, Дании, Бельгии, Франции, Англии и ряда других стран при их залегании мощной толщей либо непосредственно с дневной поверхности, либо на незначительной глубине от неё.

В дальнейшем было установлено широкое распространение мела на территориях ОНА, Ливана и С*фии..

Из зарубежных сооружений наибольший интерес представляет тоннель между Англией и Францией под Ла-Маншем, пройденный в

мелах и пущенный в эксплуатацию 19 мая 1994 года.

В России интенсивное строительство на мелах сооружений различного назначения началось в начале XX века. Исследования того времени были, в основном, направлены на выявление закономерностей формирования мела как горной породы, условий его залегания, химического и вещественного состава.

Более широкое и углубленное изучение мела европейской части России началось после окончания в 1945 году Великой Отечественной войны.

Появились труды по стратиграфии, литологии, палеографии и тектонике мела (Г.И.Бушинский, О.В.Савчинская, О.Р.Коноплина, Н.Ф.Балуховский, Б.Г.Бандарчук, В.Я.Клименко, С.И.Шуменко, В.Н. Селезнев, А.Д.Архангельский, Н.С.Шатский, А.С.Таран).

Дальнейшее свое развитие получили работы по изучению химического и вещественного состава мела (А.И.Иванов, Г.И.Бушинский, Г.И.Носов, Е.М.Сергеев, Г.А.Сидорова, И.М.Горькова и др., С.И.Шуменко, Ю.Г.Копысов), подтвердившие более ранние данные о том, что мел, в основном, состоит из карбоната кальция СаС03 (.73-99 %) и некарбонатной примеси ( нерастворимого остатка ), содержание которой колеблется от 0,7 до 27 % и пропорционально возрастает с уменьшением содержания СаС03.

Крупнейшей работой того времени явилась монография Г.И. Бушинского "Литология меловых отложений Днепровско-Донецкой впадины".

На основе проведенных исследований были уточнены границы распространения отложений мела на территории Белгородской, Курской, Воронежской и Брянской областей, ряда районов Поволжья и Западного Казахстана.

С 1955 года начинаются инженерно-геологические изыскания района'строительства Лебединского карьера КМА, предназначенного для открытой разработки железных руд, в проведении которых принимали участие: ГПИ Фундаментпроект, ВНИМИ, ВСЕГИНГЕО, ШИКМА и ряд других организаций.

С 19Е9 года Гидропроектом им. С.Я.Жука проводились исследования мелоподобных пород основания плотины и гидроэлектрической станции на р.Евфрат в Сирии (Г.А.Андреев, В.В.Мощанский, И.А.Парабучев, А.В.Леонычев).

Инженерно-геологическими изысканиями бьшо установлено наличие в природе четырех разновидностей мела:

- коренного (полускального типа); .'

- глиноподобного (тестообразного);

- агрегатного (состоящего из совокупности агрегатов мела ненарушенной структуры и заполнителя в виде меловой муки или тестообразного мела);

- переотложенного.

Коренной мел отличает высокая пористость, свидетельствующая о его природной недоуплотненности, которая, согласно современным воззрениям, обусловлена формированием коагу-ляционно-кристаплических (цементационных) связей на ранних стадиях накопления и уплотнения .карбонатного осадка.

Двойственность природы прочности мела подтверждается снижением предела прочности на одноосное сжатие с увеличением его влажности. -

Вместе с тем, в литературных источниках имеются противоречия в оценке роли различных показателей сопротивления мело-мергельных пород сдвигу в обеспечении и изменении их прочности

с увлажнением.

Практически полное отсутствие сведений об особенностях деформационных свойств коренных мело-мергельных пород, их склонности к проявлению деформаций ползучести, влияния сомкнутой трещиноватости массива на прочностные, деформационные и фильтрационные свойства, неясности относительно характера работы мела при динамическом характере приложения нагрузки существенно затрудняли установление возможности его использования в качестве основания сооружений.

Глино подобная разновидность мела была впервые выявлена Ф.П.Саваренским у хутора Витман на р.Волге при выборе створа для гидротехнического сооружения.

Глиноподобный мел был признан весьма ненадежным основанием и от строительства гидросооружения в этом месте отказались.

В дальнейшем было показано, что глиноподобный мел является делювиальным шлейфом коренных залежей (Г.И.Носов).

Вместе с тем, при обработке данных инженерно-геологических изысканий на территории КМА были обнаружены несоответствия в; оценке состояния мела по описаниям обнажений и кернового материала.

Возможность нарушения структуры мела при бурении и получения ошибочного представления об инженерно-геологических условиях площадки строительства порождает у проектировщиков и строителей чувство неуверенности и недоверия к мелу как к основанию сооружения. В связи с этим, возникает необходимость применения при изысканиях контрольных методов определения природного состояния мела.

Ситуация осложняется тем, что наряду с искажениями в оценке.условий залегания и свойств мела при бурении, на контакте.

'отложений мела и перекрывающих его пород, как правило, имеется зона существенного его ослабления.

Наличие зоны ослабления существенно затрудняет задачу по использованию свайных (фундаментов, обоснованию необходимой глубины забивки свай и определению их несущей способности.

Отнесение мела по числу пластичности к разновидности глинистого грунта, с последующим использованием для определения глубины погружения свай и их несущгй способности табличного метода С НиП 2.02.03-85, приводит к явно заниженным значениям несущей способности забивных свай.

В ряде случаев проектными организациями несущая способность свай определяется по результатам статического зондирования. мело-мергельных пород, что, однако, требует обоснования и подтверждения возможности использования рекомендаций, разрабо- ' тайных для обычных грунтов.

Агрегатная разновидность мела, состоящая из совокупности агрегатов ненарушенной структуры й заполнителя из меловой муки или тестообразного мела, в сущности является переходной разновидностью от сильно трещиноватого коренного- мела к глиноподобному.

Практике строительства на мелах известен случай использо--вания такого мела в качестве основания промышленных сооружений (гементные заводы в г.Вольске). 8

Спегифика работы агрегатного мела в основании сооружения определяется возможностью образования из агрегатных элементов армирующего каркаса (при весьма рыхлом сложении заполнителя), воспринимающего всю нагрузку.

Устойчивое состояние каркаса при малой влажности может быть нарушено при обводнении основания в результате снижения

прочности агрегатных элементов и их разрушения в местах контактов. Последующее за этим уплотнение рыхлого мучнистого материала может вызвать весьма значительные неравномерные осадки сооружения (типа просадки).

Отдельной крупной проблемой является использование мела как материала для возведения земляных сооружений.

Вместе с тем, во Франции и Англии отработаны методики опенки пригодности конкретных разностей природного мела как материала для возведения насыпей автомобильных дорог, созданы классификации, позволяющие определять оптимальный состав землеройных и уплотняющих механизмов для разработки, транспортировки и укладки мелов различных строительных категорий.

В завершение анализа состояния проблемы в диссертации сформулирована цель и задачи исследований.

Исследования, в целях решения поставленных задач, были проведены на.образцах мело-мергельных пород, отобранных в районах строительства реальных объектов, в том числе:

- в районе Западного борта Лебединского карьера КМА;

- в основании ГЗС Табка на р.Евфрат в Сирии;

- в районе строительства Белгородского водохранилища.на р. Сев. Донец (Волковский створ) и насосной станции на этом водохранилище;

- в районе строительства Юрского водохранилища на р.Тус-

карь;

- в районе строительства Владимирского водохранилища на р. Десна вблизи г.Брянск;

.- в районе строительства насосных станций канала Днепр-Донбасс; ■ - ' .

- в районе строительства гидроузла Хадита в Ираке;

..........14

- в районе строительства автомобильного моста через р. Урал вблизи г.Уральска.

В диссертации даны краткие характеристики перечисленных объектов и инженерно-геологические условия их возведения.

В первом разделе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с форменными компонентами мело-мергельных пород, их химическим и минералогическим составом,

В работе представлены результаты определений химического состава мело-мергельных пород перечисленных объектов.

Исследования подтверждают превалирующее содержание в составе мела карбоната кальция СаС03 и наличие некарбонатной примеси (нерастворимого остатка), содержание которой пропорционально возрастает с уменьшением содержания СаСО^. По содержанию нерастворимого остатка исследованные разности мело-мергельных пород Русской платформы, согласно классификации Г.И.Бушинс-кого, относятся, в основном, к чистому мелу, частично к мелу глинистому (Курское водохранилище) и мергелю'мелоподобному (Белгородское водохранилище).

Установлено, что мелоподобные порода основания ГЭС' Табка . отличаются от исследованных разностей мела Русской платформы большим содержанием нерастворимого остатка и доломитизацией с ■ уменьшением содержания СаСО . Для выявления их разновидностей использовалась классификация И.А.Парабучева, отражающая переходы в изоморфном ряду мел-мергель-доломит.

Исследования минералогического состава карбонатной -¡асти и нерастворимого остатка мело-мергельных пород проведены с использованием электронно-микроскопических, термографических и ' рентгенографических методов. *

15 " ■

По.результатам этих исследований установлено, что минералогический состав некарбонатной части мела Русской платформы, в основном (на 65-90 %), представлен глинистыми минералами из групп гидрослюд, монтмориллонита и в значительно меньшем количестве - каолинита.

Минералогический состав нерастворимого остатка ыелоподоб-ных пород района ГЭС Табка имеет некоторые отличия от минералогического состава нерастворимого остатка мела Русской платформы.

Глинистый комплекс мелоподобкых пород чрезвычайно разнообразен и представлен полным рядом минералов от палыгарскита до каолинита включительно.

Минералогический состав карбонатной части мела Русской платформы исследован весьма подробно (Г.И.Буаинский, Г.И.Носов, Ю.Г.Копысов, С.И.Шумейко и др.). Установлено, что карбонатная часть мела полностью состоит из СаС03.

Карбонаты мелоподобных пород района ГЭС Табка, в основном, представлены слабомарганцевистым кальцитом и кальцитом в виде его чистой модификации. Обе эти разновидности, как правило, присутствуют в породе одновременно при явном преобладании первой.

Другими наиболее' важными породообразующими карбонатами этих пород являются доломиты, а также гчнералы изоморфного ряда кальцит - доломит, в.том числе и высокомагнезиальные кальциты.

В отложениях более низких горизонтов разреза, где доломитизация носит первичный, диагенетическиЯ характер, магнезиальные карбонаты, в основном, представлены нормальным доломитом.

В первой части разреза, где широкое развитие получили процессы эпигенетической доломитизации, наблюдается практически

16 . • --.- -1 полный набор переходов от кальцита к доломиту через низко- и вы-1 сокомагнезиальный кальцит.

Далее в первом разделе диссертации рассмотрены структурные и текстурные особенности мело-мергельных пород.

В.А.Мощанским и М.А.Парабучевьм предложены основы классификации микроструктур мело-мергельных пород, в которой учитывается соотношение сохранных кокколитов, "порошковатого кальцита',' глинистых частиц и фораминифер.

Для идентификации микроструктур предложено использовать растровые электронно-микроскопические снимки с увеличением в • 3000 раз, покрывающие участок поверхности скола породы площадью около С,03 мм'^. Способ идентификации при-этом принципиально не отличается 6т принятых в петрографии осадочных пород приемов визуального -(для большей точности с помощью палетки) подсчета соотношений основных структурообразующих компонент.

Проявление скрытых текстур по методу Г.И.Буиинского выявило наличие практически всех известных типов текстур: жильчатой, ихнитовой, брекчиевидкой и массивной.

Текстурные особенности используются для уточнения происхождения мело-мергельных пород. Органогенные (ихнитовые) текстуры генетически связаны со следами жизнедеятельности различ- . ных клоедов.

Ряд типов неорганических текстур связан с динамикой осадка, в результате его размыва и переотложения подводными течениями, подводными оползневыми дислокациями, деятельностью волн и дугими. К ним относятся мреморовидные, брекчиевидные, конглоые-ратовидные, подводно-оползневые текстуры. .

Наряду с данными о форменных компонентах, химическом и ми-

17 ■

нералогическом составе мело-мергельных пород в работе приведены показатели их состава и состояния.

Анализ показателей состава и состояния исследованных разностей мело-мергельных пород Г^-сской платформы позволяет установить, что в подавляющем большинстве они относятся к чистому мелу (содержание Н.О.-'б %). Исключение в этом плане составляют единичные образцы (по каналу Днепр-Донбасс, Курскому и Владимирскому водохранилищам) мела глинистого (содержание И.О. от 5 до Ю 55), мергеля мелоподобного .(содержание Н.О. от 10 до 20 %) и мергеля слабоглинистого (содержание Н.О. от 20 до 25%).

Мело-мергельные породы Западного Казахстана (район строительства автодорожного моста через р.Урал вблизи г.Уральск) представлены разновидностями от мергеля мелоподобного (Н.О. = 14,6 Й) .до мергеля сильноглинистого' (Н.О.=65 %). При этом в толще имеются существенно глинистые прослои мощностью от нескольких миллиметров до двух метров.

С>бразгы мелоподобных пород основания гидростанции на р. Евфрат в Сирии представлены: мелом чистым, мелом глинисты;.:, мергелем мелоподобным и мергелем слабоглинистым.

Установлено отсутствие зависимости плотности сухих мело-мергельных пород Русской платформы от их геологического возраста. Вместе с тем, по английским литературным источникам (Ф.Белл) плотность сухого чистого мела, отложения которого достигают 400 м, заметно зависит от геологического возраста.

Заметное влияние возраста мело-мергельных пород Европейской части России.отмечается только для района г.Вольска (В.А. ЫощанскиЙ). Отложения мела этого района относятся к туронскому, сантонскому, кампанскому и маастрихтское ярусам. При этом отложения имеют различную степень глинистости (И.О.), которая

увеличивается вниз по разрезу от единиц процентов (3-4 %) в кам-пан-маастрихтсккх мелах до 15-20 % - в туронских мергелях.

В результате анализа установлено, что плотность мело-мергельных пород в сухом состоянии определяется: содержанием в породе нерастворимого остатка, степенью доломитизации и степенью сохранности основной форменной компоненты - кокколитов.

Малая плотность природного сложения свойственна большинству разностей коренного мела Русской платформы при полном отсутствии или при исчезающе незначительном содержании нерастворимого остатка и, видимо, обусловлена формированием структурных связей мела уже на ранних стадиях накопления и уплотненя первичного карбонатного осадка.

Средне-медианные значения показателей состояния исследованных разностей мела свидетельствуют о наличии некоторого ряда: от чистого и природно недоуплотненного мела до существенно более глинистого и природно уплотненного, представляющего интерес с точки зрения выявления роли состава и состояния породы на её прочностные и деформационные свойства.

Второй раздел диссертации посвящен результатам изучения геотехнических свойств мело-мергельных пород.

В качестве теоретической основы установления закономерностей изменения деформационных показателей мело-мергельных пород были приняты соотношения Г.Генки в рамках деформационной ,теории пластичности.

Проведен анализ состояния вопроса применительно к-результатам испытаний грунтов в различных условиях их деформирования и установлены закономерности изменения деформационных показателей мело-мергельных пород в этих условиях.

Проведенными исследованиями в условиях свободных поперечных

.19 *

; деформаций на образцах призматической формы (с использованием электрических и рычажных тензометров) мела Лебединского карьера КМА и основания ГХ Табка установлено:

1. Коэффициент поперечных деформаций •} в диапазоне нагрузок ¿у <Хс практически не зависит от влажности и степени природной уплотненности.

2. Численная величина коэффициента поперечных деформаций в значительной степени определяется микротрещиноватостью мело-мер-гельных пород. Так, коэффициент поперечных деформаций ^ =0,05 -0,10 для монолитной разности увеличивается до ^ =0,3 - для микротрещиноватой разности.

3. В интервале б", " от 0,0 до 0,2-0,4 Ша поперечная деформация (расширение) мела не проявляется.

Оценка сжимаемости мела в условиях свободного проявления поперечных деформаций с замером деформации сжатия образца по осадке штампа и в срединной части образца подтвердила значительное влияние на величин £ деформаций обмятия неровностей образца на контакте со штампом. Модуль деформации, определенный по призмовым испытаниям и замером деформаций сжатия в срединной части образцов, применительно к сирийской разности мела при = 1,50 г/см3 и Н.0.=П % равен Е =3400 МПа, а для мела Лебединского карьера с £¿=1,38-1,40 г/см3 и Н 0. =0,5-1,0 % -£=2800 Ша.

Исследования закономерностей сопротивления коренного мела одноосному раздавливанию выполнялись в широком диапазоне изменения влажности применительно к мелам Лебединского карьера КМА, Владимирского и Курского водохранилищ и основания ГЭС Табка. Анализ результатов этих исследования позволяет сделать выводы: ... I. Предел прочности на одноосное сжатие ^с коренного мела конкретной природной плотности однозначно зависит от

20 -т

■ 'влажности. При уменьшении влажности ^ увеличивается. Мел бо-' лее плотного природного сложения характеризуется более высоким £

2. Полностью водонасыщенный мел оказывает существенное сопротивление одноосному раздавливанию, что подтверждает его структурность.

3. Ориентировка большинства поверхностей разрушения приближается к вертикальной и не соответствует разрушению "путем сдвига", ибо в этом случае угол внутреннего трения <р должен быть равен 80°-70°, что не реально. Видимо, более обоснованны!-! является представление о разрушении образцов "путей отрыва".

Определение прочности образцов мела на одноосное растяжение и сопоставление ее с ^ приводит к что типично для большинства горных пород.

Массовые определения /?с и при изучении мелоподобных пород района ГЭС Табка позволяют констатировать наличие значительного их разброса, что связано с проявлением микротрещиноватости породы.

В диссертации приведены соответствующие графики изменения и и их числешше значения. Отмечается, что тесной'статис-. тической зависимости между Рс , р^ и У/ не выявляется. Однако множественные корреляционные связи, особенно в логарифмическом-выражении, характеризуются более-высокой теснотой. Так, применительно к мелоподобным породам района ГЭС Табка уравнение регрессии (по И.А.Парабучеву) имеет вид:

737,245 - 6,903 (лу - 0,472(I0,326/£ -г 9,4581/-285, ЛъЬУ , при I) - 13,394, 0,765, £ = ,0,0351.

По результатам экспериментальных исследований сделан вывод, , что пределы прочности мело-мергельных пород коренного залегания . на одноосное сжатие и растяжение яачяясь, с одной стороны, хоро-

'шим индикатором природы их прочности, с другой стороны, не могут-быть использованы в качестве основных показателей прочности в связи с чрезмерным значением ряда факторов, которые в массиве не имеют определяющего влияния на прочность породы.

Испытания мело-мергельных пород на сжатие при невозможности бокового расширения были выполнены как в стандартных компрессионных приборах, так и в стабилометрах.

Анализ результатов испытаний образцов мело-мергельных пород в стандартных компрессионных.приборах позволяет сделать ряд выводов относительно факторов, определяющих их сжимаемость:

1. Сжимаемость коренного мела при влажности, соответствующей степени влажности S^=0,93-1,0 (и отвечающей, как правило, условиям природного состояния мела), определяется начальной плотностью, степенью сохранности структурных СЕязей, а также интенсивностью нагрузки р.

2. Сжимаемость мела при изменении содержания нерастворимого остатка в диапазоне Н.О.=0,0-20 % и соответствующем увеличении

Ра! от 1,23 до 1,55 г/см3 тем выше, чем меньше fer . Причем, при изменении fit в диапазоне от 1,34 до 1,55 г/см3 сжимаемость мела ' практически постоянна. Увеличение сжимаемости мела, меньшей природной плотности, обусловлено, видимо, меньшей устойчивостью и прочностью структурного каркаса в связ" с уменьшением количества точек контакта и цементации отдельных структурных элементов мела.' Вместе с тем, увеличение содержания нерастворимого остатка выше Н.О.>25 % приводит, наряду с увеличением плотности сложения ме-лоподобной породы, к ее пластифицированию, снижению роли цементационных связей и возможности проявления большей сжимаемости.

3. При одной и той же начальной плотности и ^=1,0 мел не-.нарушенной структуры характеризуется сжижаемостью, примерно в

15-20 раз меньшей по сравнению со сжимаемостью мела нарушенной структуры, что подчеркивает исключительное влияние структурных связей мела на снижение его деформативности.

4. Природно недоуплотненные разности мела при определенной нагрузке, зависящей от юс плотности, теряют структурную прочность (в результате микросдвигов) с резким увеличением сжимаемости, что аналогично поведению под нагрузкой высокопористых материалов типа пеностекла и газобетона (И.И.Черкасов, Х.Ибрагимов) .

Опенка показателей сжимаемости мела .сопряжена с рядом трудностей методического характера. Их анализ в диссертационной работе приводит к выводу о наибольшей достоверности определение модуля деформации коренного мела по результатам призмовых или модельных штамповых испытаний. Так, при р<£ =1,43-1,50 г/смэ и \У»32,6-29,5 % модуль деформации коренного мела, определенный по данным призмовых и модельных штамповых испытаний, Е =2000-4000 Ша, в 5-8 раз выше аналогичного показателя, определенного при компрессионных испытаниях. Одним из факторов, приводящих к таким расхождениям, являются деформации обжатия на контакте мел-штамп компрессионного прибора.

Исходя из изложенного, следует подчеркнуть безусловную не-обходимость обеспечения передачи, от фундамента сооружения на основание, сложенное мело-мергельными породами, такой нагрузки, которая не приводила бы к раздавливанию их структуры и, как следствие, - к проявлению чрезмерных деформаций просадо юго типа.

К моменту начала настоящих исследований в литературных и фондовых материалах научно-исследовательских и проектно-изыска-. тельских организаций полностью отсутствовала какая-либо инфор- .

23 °

, мация по результатам испытаний мело-мергелывдс пород в компрессионных условиях с использованием стабилометров типа "Б". Для более точного определения общей ситуации по этому вопросу и выявления специфики поведения мело-мергельных пород в диссертации приведена обзорная информация.

Экспериментальные исследования и, прежде всего, по линии за' кономерностей проявления бокового давления (распора) в состоянии покоя, позволили сделать следующие выводы:

1. Закономерности проявления бокового давления в компрессионных условиях, в основном, соответствуют представлениям Е.И. Медкова (19Ш г.) о трех фазах его развития для горных пород. Вместе с тем, установлены некоторые особенности его проявления у мело-мергельных пород в зависимости от их плотности и степени сохранности природной структуры.

2. Как и указывал Е.И.Медков, у коренных разностей мело-мергельных пород существует начальный участок, когда до некоторой интенсивности осевого давления б< боковое давление не проявляется и, следовательно, коэффициент бокового давления в состоянии покоя ,0. Ширина этого участка, как установлено, определяется плотностью мело-мергельной породы-

Момент проявления бокового давления у коренного мела с р^ <1,43 г/см3 соответствует достижению структурной прочности рсш б,, которая практически совпадает с пределом прочности на одноосное сжатие /?с . Одновременно на компрессионном графике <5, я -[(<сч) происходит перелом линии с тенденцией нарастания <5, с ростом £>, . При этом происходит скачкообразное увеличение , когда приближается к 0,10. Зн^ения ^ при этом практически равны величине аналогичного показателя, определенного по испытанию призматических образцов в условиях свободных поперечных

деформаций. *

При более плотном сложении мела, например, района г.Вольска, с «1,54-2,04 г/см3, чувствительность измерительной аппаратуры позволяет зафиксировать боковое давление, начиная с 6t =0,8-1,2 Ша, когда медленно увеличивается от значений £,=0,05. При этом предел прочности на одноосное сжатие £с численно равен G, при £,=0,10.

Таким образом, следует констатировать' некоторую неопределенность в определении величины структурной прочности рс мело-мергельных пород коренного сложения, когда при fa =1,21-1,43 г/см3 ее величина совпадает с /Рс и соответствует моменту проявления бокового давления, а при fa =1,54-2,04 г/см3 - моменту достижения нагрузкой (о1 величины, которой соответствует £,=0,1.

3. При достижении 0, структурной прочности рс величина Ц0 начинает увеличиваться. При этом градиент роста с увеличением Gf зависит от плотности породы. Резкое увеличение свидетельствует о раздавливании структуры меЛа, прочность которого, в основном, определяется сцеплением. У коренного мела с малой плотностью ( р^ =1,21-1,36 г/см3) после раздавливания его структуры график ^ъ а -f(éi) выколачивается и становится параллельным оси абсцисс, что свидетельствует о мобилизации. в!утрен-него трения у продуктов разрушения коренного мела. При fa » 1,64 г/см3 увеличение Gt приводит к пропорциональному у^еличе- ■ нию девиаторов кругов Мора, свидетельствующему об изначальном проявлении внутреннего трения у такой разности мела. .

4. Мел нарушенной структуры (паста мела) характеризуется практическим постоянством в исследованном диапазоне до 1,0 ¡.»la. Такой характер графика ¡¡„ свидетельствует об определяющей роли внутреннего трения в обеспечении прочности мела.

г • 25

« Сопоставление характера изменения у образцов мела ненарушенной и нарушенной структур позволяет проследить за возможным влиянием бурения на нарушение структуры керновых образцов. Так, при одинаковой исходной плотности (^=1,25-1,43 г/см3) характер изменения ¿-0 у ряда керновых образцов аналогиче . характеру изменения у образцов мела нарушенной структур! При этом характер графика 6/ = отличается от аналогичного графика коренного мела. Таким образом, при одинаковой плотности (^=1,21-1,42 г/см3) прочность мела ненарушенной структуры обусловлена, а основном, сгеплением, а мела нарушенной структуры - внутренним трением при совершенно разком характере их деформирования. Отсюда возникает возможность ошибочной оттенки геотехнических свойств мела в процессе инженерно-геологических изысканий (в связи с нарушением структуры мела при бурении и отборе керновых образцов) и необходимость использования контрольных методов оценки условий природного залегания мела.

5. На основании проведенных исследований закономерностей изменения у коренных мело-мергельных пород можно сделать вывод о практической безраспорности меловой толщи.

При расчетах, связанных с оценкой напряженного состояния мелового массива,.видимо, возможно принятие коэффициента бокового давления в состоянии покоя £„=0,10.

Долее, во втором разделе диссертации рассмотрены закономерности изменения деформационных показателей мело-мергельных пород при их сжатии в условиях ограниченных поперечных деформаций.

Рассмотрению результатов экспериментальных исследований предшествует.кратклй анализ состояния проблемы, отмечена роль в развитии этого направления исследований Г.М.Ломизе, Л.Л.Крыжа-.новского, М.В.Малышева, Э.Л.Фрадиса, Л.К.Бугрова, Р.М.Нлрбута,

В.П Сипидина, Э.И.Воронпова, Ю.К.Зарецкого, Е.И.Медкова и ряда других исследователей.

Отмечено своеобразие ситуации, возникшей к моменту начала настоящих исследований, когда в соответствии с методикой обра-оотки экспериментальных результатов исследований, принятой'в большинстве научно-исследовательских и проектно-изыскательских организаций, коэффициенты поперечных деформаций ^ пластичных глинистых грунтов находились в диапазоне 0,02-0,30, а твердых глинистых грунтов - в диапазоне 0,25-0,45. Указанные значения резко отличались от значений , полученных другими исследователями .

Создавался ситуация обусловила необходимость детального рассмотрения этой проблемы применительно к обычным песчаным и пылевато-глинистым грунтам. Результаты проведенных исследований по этог.гу направлению изложены в кандидатских диссертациях В.И. Гладьшееа и А.Г.Котенко, выполненных под научным руководством автора настоящей работы. В частности, в работе В.И.Гладьшева установлены причины аномальных значений ^ , получаемых при обработке экспериментальных материалов по методике Е.И.Медкова, обусловленные погрешностями математического вывода зависимости для определения $ . Одновременно в этих работах бьша показана принципиальная возможность и разработана методика построения паспортов трехосных испытаний песчаных и пылевато-глинистых грунтов по результата!! простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний. •

В диссертации приведено описание конструкций использованных стабилометров, их технические характеристики, методика обработки результатов и способы графического отображения результатов , определения £ и .

В работе были использованы две траектории погружения с использованием стабилометров типа "Б" и "А".

I траектория нагружения (с использованием стабилометров типа "Б") состояла из двух этапов:

1-й этап - компрессионное сжатие образца;

2-й этап - девиаторное нагружение образца при 6, =Const и снижение до достижения предельного состояния образца по прочности.

П траектория нагружения (согласно ГОСТ 2.65.18-25 с использованием стабилометров типа "А") состояла также из 2-х этапов:

1-Й этап - гидростатическое обжатие образца, когда =

2-й этап - девиаторное нагружение образца увеличением (при Const ) до достижения предельного состояния по прочности. Для анализа закономерностей изменения деформационных показателей мело-мергельных пород были использованы результаты испытаний коренных мело-мергельных пород, выполненные в МШТе В.А.Мо- • щансним на стабилометре М-2 конструкции Е.И.Медкова по I траектории нагружения в соответствии с указаниями Е.И.Медкова.

Для анализа и иллюстрации результатов испытаний мело-мер гельных пород с использованием стабилометров типа "А" и П траектории нагргужения, .с реализацией рекомендаций ГОСТ 26518-85, привлечены материалы НИС Гидропроекта им. С.Я.Хука по исследованию мелов как материалов для возведения плотин гидроузлов Тиарин и Хантумая в Сирии.

Анализ результатов испытаний коренных мело-мергельных пород по I траектории нагружения позволяет сделать следующие выводы:

I, Как показало в диссертации, при 6,>рс на отам компрессионного сжатия происходит раздавливание структуры коренного мела с возрастанием и i)0 и падением £ з 5-10 раз. Таким об-.

разом, к началу 2~о отапа I траектории нагружения испытаниям подвергаются продукты разрушения коренного мела, и отнесение параметров и Е к коренной разности будет ошибочным.

Определенные по формуле Е.И. Медкова значения ч)* в момент предельного состояния по прочности, как правило, характеризуются аномальными значениями ,'03-0,05, что, как ранее отмечалось, обусловлено допущенными неточностями при выводе формульной зависимости для >1 .

3. Параметр определенный по формуле деформационной теории пластичности, также ниже значения к моменту завершения первого этапа нагружения. Анализ этого обстоятельства привел к выводу о наличии существенных погрешностей при определении боковых деформаций образцов в стабилометре М-2 с использованием в этих целях волюмометра открытого типа.

4. Значения модуля деформации в момент предельного состояния £* определенные по формуле Е.И.Медкова, в отдельных опытах превышают компрессионный модуль Е0 в момент завершения первого этапа нагружения, что является явной ошибкой. В некоторых случаях £*^/г<>, что по сути верно. Однако наличие случаев первого типа, когда £, обуславливает в'целом недоверие к результатам определения £ по формуле Е.И.Медкова.

Ь. Значения £*, определенные по формуле деформационной теории пластичности во всех случаях меньше Еа , что логично. Однако искажение .¡оперечньк деформаций при их определении с помощью открытого волюмометра приводит и к искажениям параметра Е *

Испытания образцов грунтов по I траектории нагружения позволяют по методике Е.И.Медкова определить параметры сопротивления грунта сдвигу. Указанная технология (по Е.И.Медкову) определения Ф й С коренных мело-мергельных пород приводит к ошибочным ре-_

. зультатам, так как первый круг Мора (построенный на рс как на диаметре) соответствует мелу ненарушенной структуры, а второй предельный круг Мора - уплотненным продуктам разрушения коренной породы. При такой технологии определения у и С эти параметры практически не зависят от плотности р^ и влажности мела.

• Для анализа закономерностей изменения и £ мело-мергель-ных пород с использованием П траектории нагружения были использованы материалы исследований НИС Гидропроекта образцов слабоглинистого мела нарушенной структуры, предназначенного для укладки в противофильтрационные элементы плотин гидроузлов Тишрин и Хантуман в Сирии. Образцы изготавливались из мелкозема методом стандартного уплотнения с их водонасыщением до испытания и с использованием схемы консолидированно-дренированного испытания . Помимо образцов нарушенной структуры был испытан типичный , образец коренного мела основания гидроузла Хантуман с р^ =1,УЭ г/см3, и £=0.99.

Для анализа использовались паспорта трехосных испытаний, а также построенные (при дополнительной обработке материалов) графики зависимостей ^ ) и £■.**/[$),

Построение предельных кругов Мора позволило определить Ц) и С исследованных образцов.

Анализ материалов позволил сделать следующие вывода: I. Характер графиков ) мела нарушенной струк-

туры аналогичен характеру таких же графиков фрикционных грунтов (крупнообломочных, песчаных), сопротивление сдвигу которых, в основном, определяется внутренним трением. У исследованного мела нарушенной структуры =32,8Т35,0 Так же, как у фрикпи-, онных материалов график ^ "/(£, ) имеет две опорные точки: первая с ^->/<5, = -0,50 и ^ =0,50; вторая - при пересечении_

линии графика с осью абсцисс,, когда =0,00, а . Зна-

чение = хорошо совпадает с величиной , определенной по формуле Г.Спальвинга

& =_С____(I)

и-г-ьру

При этом величина Ь , соответствующая пересечению линии графика с осью ординат, может быть определена по формуле

\! - _I»____(2)

Уо / + 2 ¿-0 '

Возможность теоретического определения указанных опорных точек позволяет восстановить зависимость ^ - по парамет-

рам сопротивления сдвигу.Технология восстановления этой зависимости детально изложена в работах В.И.Гладышева и А.Г.Котенко.

2. Так же, как и у фрикционных грунтов при П траектории нагружения у мела нарушенной структуры есть область (примыкающая к зоне гидростатического обжатия) с отрицательными значениями ч'со, как это было показано автором и. его аспирантом В.И. Гладышевым, есть результат контракции и повышения сдвиго-устой-. чквости материала.

3. Характер графиков £ мела нарушенной структуры также аналогичен характеру графиков £ фрикционных материалов при заметном влиянии на £ величины гидростатического обжатия. Величина £ при этом уменьшается с повышением ^ (при приближении к моменту предельного состояния по прочности) с тенденцией прохождения линии графика £ через точку с 0=0,50 и £"=0,00.

4. Принципиально важным при рассмотрении деформационных показателей является то, что при положительных значениях К

в скрытом виде используются отрицательные значения» \) , что в явном виде не просматривается.

5. Коренной водонасьцценный мел гидроузла Хантуман с p¿ = 1,59 г/см3, ЛУ"» 26/5 • и >^ = 0.99 характеризуется практически во всем диапазоне его испытаний отрицательными значениями Ü . Модуль деформации Е зависит от величины гидростатического обжатия б0 « и увеличивается с повышением -60 . Величина £ при одинаковой и уровне гидростатического обжатия <?а у коренного мела примерно в 7 раз больше, чем у мела нарушенной структуры.

6. Параметры сопротивления сдвигу коренного мела с p¿=l,i9 г/си3, характеризуются и С =0,177 МПа. Поотому, как и у мела нарушенной структуры, отрицательный ^ является вполне закономерным.

Следует заметить, что в рамках разрабатываемой в настоящее время механики высокопористых материалов (У .С. Funcj. fR.F./lümgzen-, $,8utj , R-S./akcs , J-B-Patk ) теоретически и экспериментально показана закономерность отрицательных значений коэффициентов Пуассона для пеноматериалов с ячеистой структурой (термических полимеров, меди, алюминия, силиконовой резины и др.).

Таким образом, коренные природно недоуплотненные мело-мер-гельные породы могут быть отнесены к этому ряду материалов, когда проявление в определенных условиях отрицательного ^ следует считать вполне закономерным.

Далее во втором разделе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с оценкой возможности проявления деформаций коренных мело-мергельных пород, обусловленных набуханием и упругим отпором.

Экспериментальная сценка позволила установить способность мела к повышению начальной влажности практически до полного во-донасьчцения без проявления деформаций набухания.

Так как разуплотнение коренных мело-мергельных пород проке-

ходит при разгрузке и упругом отпоре в результате возникновения или раскрытия микротрещин, его критерием не может служить определенная в лабораторных условиях плотность породы. Таким критерием не может быть также изменение показателей абсолютной водопроницаемости отложений из-за слишком малых их значений.

Перспективным,в этом отношении является первый практический опыт (И.А.Парабучев) использования каротажного метода естественного электрического поля, разработанного. Ю.М.Платоновым, при проведении инженерно-геологических изысканий в котловане здания

ГЭС Табка в целях разуплотнения мелоподобкых пород при вскрытии котлована.

Использование этого метода позволило определить мощность зоны разгрузки и величину упругого отпора дна котлована . Полученное при этом значение упругого отпора '7,6 см согласуется с данными наблюде чй за дном котлована в период его проходки, которые осуществлялись геодезическими методами.

Литературные и фондовые материалы по опенке параметров ме-ло-мергельных пород сдвигу отличаются скудностью информации и, нередко, противоположными указаниями по роли конкретных показателей сопротивления сдвигу в обеспечении прочности породы.

В диссертации дан анализ состояния этого вопроса и сфорьгули-рованы задачи экспериментальных исследований.

В качестве теоретической основы исследований был принят метод "плотности-влажности" (Н.Н.Маслов, 1949 г.), положительно зарекомендовавший себя при решении ряда весьма сложных практических задач, согласно которому исходная формульная зависимость сопротивления сдвигу имеет вид

Вместе с тем, особенность его использования при исследова-

опенки

(3)

нии мела состояла в установлении зависимости сопротивления ко- . ренного мела сдвигу при постоянной для конкретной разности мела плотности ^ и изменяющейся влажности, соответствующей различной степени водонасыщения.

В работе приводятся характерные первичные и вторичные графики сопротивления сдвигу типа г*,р) и построенные по результатам сдвиговых испытаний в приборах Мас-лова-Лурье.

Общей особенностью графиков типа = является

их криволинейность в области нагрузок р< 0,5£с • Соответствующий анализ показал закономерность отмеченной особенности, обусловленной как возможным проявлением в зоне сдвига (при использовании указанного типа сдвигового прибора) растягивающих напряжений, так и мобилизацией структурной прочности мела в ослабленных микротрещинами зонах.

Показана допустимость и обоснованность определения угла внутреннего трения коренного мела и общего сцепления Си/ по очертанию пологой ветви графика типа ^р^ ■

Экспериментальные данные" опытов на сдвиг коренного мела и его пасты, привлечение литературных данных (Т.Н.Пузыревская, 1949 г.) позволили установить зависимость угла внутреннего трения от плотности ра! и влажности У/~ , представлении в диссертации в графической форме, а также природу и роль конкретных компонент сцепления ( ¿с и •2"ке ) в обеспечении общего сцепления (Си) коренного мела.

Установлено, что угол внутреннего трения водонасыщен-ного (при =0,97.-1,00) мела чистых разностей, независимо от того, идет ли речь о меловой пасте или коренном меле, линейно возрастает с увеличением плотности Оу. С уменьшением влажности

и степени водонасыщения угол внутреннего трения мела конкретной . плотности вначале резко возрастает, а затем постепенно увеличивается с градиентом, не зависящим от плотности, в связи с чем наблюдается семейство параллельных прямых, отражающих зависимость </>»> = А {ж,

Сцепление ¿?ц/. коренного мела чистых разностей (с содержанием Н.О <5 %) закономерно и монотонно увеличивается с уменьшением влажности на тот же порядок, что и связность 2Г,* меловой пасты. Это позволяет считать сцепление (при «5г=1,0) полностью обусловленным структурным (цементационным) сцеплением Сс , а при меньшей влажности - одновременно связностью водно-коллоидной природы Л" и/ и структурным сцеплением Сс .

Повышение в меле содержания нерастворимого остатка, представленного, как правило, частицами глинистых минералов, оказывающих пластифицирующее влияние, приводит к повышению природной плотности ;ложения мела и одновременно к снижению угла внутреннего трения' и повышению роли водно-коллоидных связей в формировании общего сцепления мела.

Исследования сопротивления сдвигу коренных разностей чистого . ела позволили также установить возможность разрушения структуры мела (в результате микросдвигов) при интенсивности . сжимающих нагрузок, превышающих структурную прочность.

В диссертации показана необоснованность имеющихся в литературе указаний о невозможности использования при оценке сопротивления коренного мела сдвигу одноллоскостных сдвиговых приборов и показаны причины ошибочных оценок параметров сопротивления мела сдвигу.

*

Далее рассмотрены особенности сопротивления агрегатного мела сдвигу, являющегося основанием сооружений цементных заво-

:............35

! дов г.Вольска и насосных станций канала Днепр-Донбасс. Показано влияние на параметры Ц> п С этой разновидности мела соотношения агрегатной составляющей и глиноподобного (тестообразного) или мукообразного заполнителя. Отмечена недопустимость экстраполяции параметров <р и С , определенных по результатам опытов при относительно низких значениях р , на облает» больших нормальных напряжений в связи с возможностью выполаживания графиков и уменьшения параметров ^ и С .

Особенность геологических условий района ГЭС Табка в Сирии, обусловлена наличием в толще мелоподобных пород палеогенового возраста двух прослоев бентонитовой глины мощностью от 0,5 до 5,0 см. Сопротивление бентонитовых глин сдвигу во многом определило посадку на местности, компоновку и конструктивные особенности гидроузла.

В мелах Русской платформы наличие таких глинистых прослоев не обнаружено.

Однако в мело-мергельных отложениях кампанского яруса Западного Казахстана, являющихся основанием фундаментов опор моста через р.Урал в районе г.Уральска, более глинистые отложения (с И.О.>42 %) встречаются в виде зон сложного очертания.

В работе рассмотрены закономерности сопротивления материала глинистых прослоев сдвигу, которые были учтены при проектировании сооружений ГХ Табка в Сирии.

Оценка склонности коренного мела к проявлению деформаций ползучести (с позиций физико-механического направления изучения реологических свойств породы и использования реологической модели Н.Н.Маслова) была выполнена на базе экспершенталь-, ных определений порога' ползучести Тейп и коэффициента вяз-

I

кости мела О . По результата!.! длительных опытов на сдвиг с

р^СопвЬ и Г= гщъ., опытов на сдвиг с контролируемой скоростью сдвига, а также опытов по методу "шарика" была выявлена чрезвычайно малая склонность коренного мела к деформациям такого типа,

что подтверждается коэффициентом вязкости порядка -

15

А-10 пуаз. Это обстоятельство позволяет (при определенных'условиях) исключить из рассмотрения проблем длительной устойчивости сооружений на плоский сдвиг.

Результаты испытаний мела нарушенной структуры свидетельствуют о его склонности к проявлению деформаций ползучести ( р » АЛО9 - АЛО11 пуаз).

В завершение второго раздела диссертации рассмотрена проблема динамической стойкости ыело-мергельных пород.

Соответствующий анализ литературных материалов, привел к выводу об отрицательном влиянии низкочастотных (с частотой до. 15 Гцх нагрузок импульсного типа и вибрационных воздействий (при появлении проскальзывания фундамента сооружения по контакту мел-ф/ндамент) на прочность коренного мела.

Далее рассмотрены результаты динамических испытаний мело-мергельных пород коренного сложения и нарушенной структуры, выполненные как автором работы, так и другими исследователями.

Установлено, что водонасыщенные образцы из мела нарушенной структуры при, р^ ^1,60 г/см3 и отсутствии пригрузки теряли свою форму в течение первых же секунд вибрационных воздействий. Образцы нарушенной структуры при ]^=1,77, 1,79 и 1,80 г/см3, частоте колебаний 25 и 50 Гц, времени вибрирования до 10 минут сохраняли свою форму в тем большей степени, чем выше была их плотность. Образш коренного мела даже при $¿=»1,24 г/см3 при ■ вибрации не разрушались.

' Аналогичные .результаты были, получены, автором настоящей ра-_

боты при проведении сдвиговых испытаний коренного мела с наложением на статические нагрузки вибрационных воздействий частотой 15-16 Гц, и амплитудой 2,33 мм.

Оценка виброустойчивости агрегатного мела основания насосной станции Белгородского водохранилища в условиях, компрессионного сжатия и использования стабилометров типа "5" была выполнена применительно к ожидаемым параметрам вибрационных воздействий от электродвигателей насосных установок: частоте 25 Гц и амплитуде 0,1 мм. Частота колебаний при испытаниях постепенно повышалась с выдержкой каждого уровня порядка 5 минут. По результатам испытаний построен график зависимости критического ускорения л5Кр от уровня пригрузки (э, , а также модуля осадки от доуплотнения мела при вибрации.

Проведенные исследования позволили определить величину возможной дополнительной осадки здания насосной станции при вибрации, что обусловило принятие решения об отказе ее строи-'4 тельства.

Установлено также, что снижение прочности водонасыщенного агрегатного мела и проявление дополнительных деформаций обусловлено тиксотропными явлениями. Так, по результатам шариковых опытов при вибрационных воздействиях коэффициент вязкости падает до у =А.Ю10 - АЛО11 пуаз.

В диссертации приведен пример оценки сейсмической устойчивости мелкозема (муки) детритовых доломитов, предназначенных для укладки' в ядро плотины Хадита в Ираке.

Доломиты, по классификации И.А.Парабучева, являются одной из опорных позиций, изоморфного ряда мел-мергель-доломит карбонатных пород.

Оценка динамических воздействий на земляные плотины и на-

сыпи при сейсмических воздействиях осуществляется согласно СНиП П-А . 12-69 и "Рекомендаций по учету сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических сооружений (к разделу 5 главы СНиП П-. . 12-69) - Л., 1977" цутеы определения динамических характеристик плотины (частоты и формы собственных колебаний) и сейсмической нагрузки (сейсмических ускорений) на плотину.

Частота и форма собственных колебаний плотины определялись при использовании расчетной схемы плотины в виде треугольного клина бесконечной протяженности. Деформативность основания не учитывалась, так как оно сложено скальными и полускальными породами. Плотина относится к I классу капитальности. Сейсмические ускорения по высоте плотины вычислялись по линейной динамической спектральной теории при учете четырех форм собственных колебаний (СНиП П-А. 12-69, раздел 5).

Расчеты показали, что сейсмические воздействия на доломитовые грунт ядра плотины гидроузла Хадита вызывают колебания с частотой \) =10-16 Гц и амплитудой А=0,05-0,1 мм.

В лабораторных условиях сейсмические воздействия имитировались вибрационными колебаниями с указанными выше параметрами.

Так как доломитовый грунт в ядре земляной плотины работает в компрессионных условиях, то опенка его сейсмической устойчивости также проводилась в условиях компрессии с использованием стабилометра М-2 и вибрационного стенда с горизонтально направленными колебаниями. Испытаниям подвергались обр&зш с различной плотностью, отпресованные при оптимальной влажности Т/"=0,16.

На первом этапе проводилось уплотнение образцов под статической нагрузкой 6"/= 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4 Ша, а затем создавались вибрационные воздействия с амплитудой. А=0,10-0,12 мм с изменением частоты колебаний через каждые 5 минут, что позволило

~ •• ■ 39 ■

установить критическое ускорение колебаний, соответствующее при заданной плотности и пригрузке проявлению дополнительной осевой деформации и бокового давления.

Построение совмещенных графиков изменения сейсмического ускорения ¿¿к по высоте плотины и критического ускорения в зависимости от относительной вертикальной ординаты "*-/// плотины, определяющей уровень действующей нагрузки, позволило установить требуемую плотность укладки доломитового грунта по высоте плотины, обеспечивающей ее сейсмическую устойчивость.

Проблема динамической устойчивости мелов, укладываемых в противофильтрационные элементы плотин, может быть рассмотрена в несколько иной постановке по сравнению с изложенной выше.

Так, при решении указанной проблемы, применительно к плотинам Хантукан и Тишрин в Сирии, НКСом Гидропроекта сейсмическая нагрузка заменялась циклическим нагружением с амплитудой, величина которой определялась в зависимости от ускорения сейсмических колебаний, меняющегося по высоте плотины. Распределение ускорения по оси плотины рассчитывалось в упругой постановке в соответствии с указаниями "Пособия к разделу 5 СНиП П-7-81". Значение амплитуды в эксперименте создавалось передачей на образец амплитудного при

Методика подготовки и испытаний образцов мела на динамическую нагрузку подробно изложена в диссертации. •

Результаты исследований позволили установить требуемую плотность уКладки мела по высоте плотины, обеспечивающею сейсмическую устойчивость.

В третьем разделе мело-мергельные породы рассмотрены как основание и материал для возведения сооружений.

В диссертации показан анализ последовательности развития

областей разрушения, путем рассмотрения изолиний равных нагрузок р0 , вызывающих в точках основания, соединяемых изолиниями, предельное состояние по прочности. Показана, в частности, закономерность раздавливания структуры коренного мела Лебединского карьера КМА под гусеницами одноковшовых экскаваторов.

В диссертации.рассмотрены некоторые вопросы устойчивости сооружений на плоский сдвиг с точки зрения влияния горизонтальной трещиноватости мелового массива основания (неоднократно отмечаемой на ряде реачьных объектов), наличия в основании сооружения слабых глинистых прослоев, а также ползучести мела на долговременную устойчивость основания сооружения.

Специфика работы мела по сомкнутой трещине состоит в том, что до некоторого нормального напряжения р на площадке сдвига сдвиг не вызывает нарушения структуры мела в плоскости ослабления и аналогичен сдвигу двух твердых тел (независимо от плотности и Етгажности мела), а при превышении этого значения р (совершенно определенного для мела конкретной плотности и влажности) сдвиг происходит с нарушением структуры мела в зоне ослабления. При этом сопротивление сдвигу по сомкнутой трещине совершенно равнозначно сопротивлению сдвигу монолитного мела, что определяет возможность неучета в таких случаях трещиноватости мелового массива.

Наличие в основании сооружения, передающего на грунты горизонтальную нагрузку, даже весьма тонких глинистых прослоев может оказать решающее влияние на их устойчивость. В частности, выявление таких прослоев в основании плотины и ГЭС Табка вызвало не- ' обходимость переноса этих сооружений в другое место с существен-шм изменением профиля плотины в целях обеспечения ее устойчивости на плоский сдвиг.

' Вместе с тем, установление факта определяющего влияния на грочность коренного мела сцепления цементационного типа (при относительно низком значении связности водно-коллоидной природа), а также значения коэффициентов вязкости коренного мела порядка «АЛО^- А.пуаз, свидетельствует о малой склонности коренного мела к проявлению деформаций по/1 учести и позволяет исключить из рассмотрения проблему длительной устойчивости сооружений на плоский сдвиг.

В работе показано, что уточнение модуля деформации коренного мела с учетом искажений, вносимых в этот показатель деформацией обмятия образца при проведении компрессионных испытаний позволяет существенно скорректировать результаты теоретического определения осадки сооружения. Такая корректировка позволил отказаться от разрезной конструкции здания ГЭС Табка и устройства деформационных швов и обеспечила возможность разработки более рациональной и экономичной конструкции здания ГЭС. При этом фактическая осадка здания ГХ, зафиксированная за время ее эксплуатации и равная от 52,1 до 70,4 мм, соответствует определенным по разным методам расчета и-равным от 70 до 100 мм Завершающаяся часть третьего раздела диссертации посвящена проблемам использования мело-мергельных пород как основания свайных фундаментов. На примере проблем, возникающих при изысканиях и проектировании автодорожного моста через р.Урал в районе г.Уральска, выполненных Гипротрансмостом, показана типичная ситуация, с которой сталкиваются проектировщики и строители при.возведении транспортных сооружений в меловых районах.

Совместные работы Гипротрансмоста и МИИТа на стадии рабочих документов позволили уточнить условия залегания мело-мергельных пород, выявить гас деформационные и прочностные свойства.

обосновать необходимую глубину залогения нижних торпов бурона-бивных свай и их несущую способность.

Штамповые испытания мело-мергельных пород, выполненые ЦШ'ЛС 'А.Ю.Смирнов), в принципе подтвердили правильность принятых оценок и рекомендаций, что позволило принять рациональные проектные решения (ГШ, Б.Ф.Бялик) и начать строительство моста.

Далее в диссертации рассмотрена проблема, связанная с использованием забивных свай в фундаментах сооружений различного назначения, возводимых в меловых районах.

Анализ фондовых материалов ряда проектно-изыскательских организаций, проводивших испытания призматических забивных свай статической нагрузкой, динамической нагрузкой, опыты на вдавливание и вьдергивание, опыты с инвентарными и эталонными сваями, статическое зондирование грунта, позволили сделать следующие выводы:

1. Для оценки несущей способности забивной сваи, погруженной в мел, нельзя использовать табличный метод СНиП 2.02.03-85, когда расчетные сопротивления грунта под острием сваи и по ее о'оковой поверхности определяются в зависимости от показателя текучести глинистых грунтов (к которым по числу пластичности откосится мел нарушенной структуры). Это обусловлено существенным влиянием структурной прочности мела коренного залегания, . когда показатель текучести не является индикатором физико-механических свойств мела такого типа.

2. Динамические испытания свай приводят к более низкому предельному сопротивлению, что г1условлено проявлением тиксот-ропкых свойств мела. Увеличение длительности отдыха сваи после ее забивки способствует повышению несущей способности.

3. Установлено, что ,как правило, кровля мела, подстилаю-

щая. четвертичные, отложения,. существенно элювиирована, когда 2-Я кетра толщи мела, примыкающей к кровле, разрушено до пастообразного состояния с постепенным переходом в .трещиноватый массив с большей сохранностью исходной структуры коренного мела. При этом каждый метр заглубления в мел от'его кровли приводит к повышению предельного сопротивлениия на 5-15 тс.

4. Наибольшей перспективностью при обоснован™ глубины забивки и предельного сопротивления свай обладает метод статического зондирования установками типа С-979 с прямым использованием указаний СНиП 2.02.03-85. При этом, предельное сопротивление забивной сваи, как правило, отличается не более, чем на 15 % , от его фактической величины.

В заключающей третий раздел главе диссертации мело-мергель-кые породы рассмотрены как материал для возведения земляных сооружений. Наибольшим опытом возведения автодорожных насыпей из мела обладают Франция и Англия. В диссертации дан обзор работ специалистов этих стран по указанной проблеме.

3. ОБЩИЕ вывода

1. Проведенными исследованиями мело-мергельных пород, при решении вопросов строительства объектов различного назначения (акты внедрения прилагаются), решена крупная'научно-производственна проблема использования мело-мергельных пород в качестве основания сооружений.

2. В ходе научного обоснования проект;шх решений, направленных на повышение надежности сооружений, возводимых на мело-мергельных породах было установлено:

- наличие в природе трех разновидностей этих пород по степени нарушения их природной структуры: коренного (полускального), агрегатного и глшюподобного (тестообразного);

- плотность сложения коренных'мело-мергельных пород определяется степенью сохранности форменных компонент,. степенью.доломитизации породы и содержанием в ней нерастворимого остатка.

3. Впервые экспериментально выявлены: закономерности изменения деформационных и прочностных показателей в зависимости от влажности, степени природной уплотненности коренных разностей, степени нарушения природной структуры агрегатной и глшоподобной разностей, условий деформирования, содержания нерастворимого остатка и степени доломитизации породы; своеобразие проявления сопротивления мело-мергельных пород сдвигу по сомкнутой трещине, ко-г,-,а в определенных условиях прочность и устойчивость массива можно оценивать без учета местных ослаблений, обусловленных микротрещинами.

«1. Впервые дана оценка склонности мело-мергельных пород к прояг.тению сдвиговой ползучести и установлены численные значения коэффициента вязкости пород коренных разностей и разностей с нарушений структурой.

5. Экспериментальными исследованиями и анализом литературных и фондовых материалов установлен характер влияния различных динамических воздействий на деформационные.и прочностные свойства м?<ло--мергельных пород при различной сохранности их природной

*

структуры.

Установлено, что снижение прочности и повышение деформатив-пости тестообразного и агрегатного мела обусловлено при вибрационных воздействиях проявлением _тиксотропии, а у коренных.ггрирод-но недоуплотненньк разностей.мела при импульсных воздействиях .усталостными явлениями, приводящими.к нарушению структуры. Показаны пути учета динамических воздействий:на "поведение мела в основании сооружения, а также при проектировании и строительстве

земляных сооружений и использовании мело-мергельных пород как

материала для их возведения. . ........- .

... б. Предложен метод оценки прочности основания, сложенного мело-мергельнши породами в коренном залегании, с учетом их деформационных и прочностных свойств.

7. Дано обобщение результатов экспериментальной оценки несущей способности забивных призматических свай, погруженных нижним концом в мело-мергельные породы, и обоснована возможность использования в этих целях статического зондирования грунтов.

8. На базе зарубежных материалов показаны методы оценки возможности использования мело-мергельных пород как материала для возведения дорожных насыпей.

4. ПУБЛИКАЦИИ, В КОТОРЫХ ПРВДСТАВЛЕШ ■ ОСШВНЬЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

1. Маслов H.H., Леонычев A.B. Мел как основание гидротехнически сооружений // Гидротехническое строительство. - 1973.-№ 5. - С. 25-29; ил. .

2. konytcjiev I l/.Jave pwMems ainceinutg. ihe etra&itian ofcJiaik OS foundation, /ог the hydiattechnkai stxu£.taies Jf Ргос. J-tb ¡fnte-tn. Conf. Soil MeJi. Found. - Matcois, - /973. - VoC. 4 T

3. Леонычев A.B. Исследование закономерностей проявления бокового давления коренного мела // Сб. тр./ Фундаме итпрое кт.-1975. - Вып. 15: Материалы до проектированию сложных фундаментов и оснований и по производству изысканий. - С. 19-21: ил.

4. Леонычев A.B. О сопротивлении сдвигу чистого мела Русской платформы // Сб. науч. тр./ МАДИ. - 1973. - Вып. 62: Шгае-

керна геология и механика грунтов. - С. 76-78: ил., табл.

5. Мощанский В.А., Леонычев A.B. К анализу факторов,.оправляющих сопротивление сдвигу пород типа мела // Сб. науч. тр. / МИИТ. - 1976. - Выл. 528: Исследование и учет структурно-механических свойств грунтов при проектировании оснований железнодорожных сооружений,- С. 57-61: ил.

6. Леонычев A.B. Некоторые вопросы изысканий по установлению влияния трещиноватости меловых массивов на условия их использования в качестве основания сооружений // Сб. статей //И.О. Стройизыскания. - 1974. - Вып. I (34): Инженерно-строительные изыскания. - С. 46-47: тля.

7. Леонычев A.B. К оценке склонности высокопористых пород полускального типа (на примере мела) к деформациям ползучести и ее ролл в нарушении устойчивости сооружений на плоский сдвиг / Моек авт.-дор.ин-т.'- М., 1974. - 17 с. - Деп. в НИИавтопроме 10.04.74, Д 740096.

6, Леонычев A.B. Вопросы методики исследований деформационных свойств вксокопористцх структурных пород полускального типа (на примере мела) / Моск. авт.-дор. ин-т., 1974. - 10 с. - Деп. в НИИавтопроме 10.04.74, Д 740097. .

. Леонычев A.B. Экспериментальная проверка теоретических решений по определению коэффициента бокового давления грунта в состоянии покоя / Моск. ин-т инж. ж.-д. тр-та (МИИТ). - И., 1981, - 97 с. - Деп. во ВНИИИС, № 3090.

10. Яеошцев A.B., Гладьшев В.И. Изучение закономерностей изменения коэффициента Пуассона грунтов в зависимости от их напряженно-деформированного состояния / Моск. ин-т инж..ж.-д. тр-та (МИИТ). - М., 1983. - 94 с. - Деп,. во ВШПИС, № 4364.

11. Леонычев A.B. Н вопросу о динамической стойкости мела •

. - 47 -

// Сб. науч..тр../ МДЦИ. - 1975. - Вып. 88: Инженерная геолога к механика.грунтов. ,- С. 47-60: ил., табл. .

12. Леоньгчев A.B., Котенко А.IVO построении паспорта прочности и деформационных свойств грунтов по результатам простейших испытаний / Моск. ин-г инж. д.-д. 'тр-та (МИИТ). - М., 1992. - 31 с. - Деп. во ВНИИНТШ, № II2I9.

• . 13. Котенко А.Г., Леонычев A.B. 0 возможности построения паспорта прочности и деформируемости грунта применительно ко 2-ой траектории нагружения (ГОСТовской) по результатам простейших испытаний / Моск. ин-т инж. ж.-д. трансп. (МИИТ). - М., 1992. - 32 с. - Деп. во ВШИШПИ, № II288.

14. Леонычев A.B. Некоторые вопросы оценки прочности основания, сложенного писчим мелом // Сб. тр. / Фундаментпроект. -1971. - Вып. II: Материалы по проектированию сложных фундаментов и оснований и по производству изысканий. - С. '39-45: ил.

15. Леонычев A.B. О применении установки статического зондирования УЗК-2 //Сб. тр. / ФуЦдаментпроект. - 1963. - Вып. I: Материалы по проектированию сложных фундаментов и оснований и по производству изысканий.. - С. 12-19:• ил.

16. Леонычев A.B. Зондирование грунтов для определения несущей способности свай и их длины. Применяемые агрегаты и методы работы // Доклады и сообщения на Всеросийском совещание-семинаре по обмену опытом проектирования и сооружения свайных фундаментов из коротких свай для жилищно-гра^данских и промышленных зданий и сооружений. - Уфа, 1964. - С. 86-91. .

17. Леонычев A.B. мело-мергельные породы как основание опор автодорожного' моста через р. Урал в районе.г. Уральска // tpaucnopTHoe строительство. - 1994, - № 12. - С. 14-19.

. - 48 -

15, Леонычев A.B. Предельное сопротивление.забивных сбой, погруженных в мел // Транспортное строительство. - 1995. - № I. - 0. 12-15. ■ ' - '

Леонычев Александр Васильевич ПРОЕЛШЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕЛО -МЕРГЕЛЬНЫХ ПОРОД В КАЧЕСТВЕ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ И ИХ РЕШЕНИЕ

05.23.02 - Основания и фундаменты

Сдано в набор >¿5, 04,95. Подписано к печати 25.04,95

Формат бумаги 60x90/76 Объем3.0 п.л. Заказ Тираж 100

Типография №Иа, Москва, ул. Образцова, 15