Особенности физико-механических свойств структурно неустойчивых просадочных грунтов

Среди большого разнообразия грунтов, с которыми приходится иметь дело строителям, особые затруднения вызывают структурно неустойчивые просадочные грунты, у которых в обычных условиях, но при некоторых добавочных физических воздействиях резко нару­шается структура, что обусловливает значительное ухудшение их физико-механических свойств, увеличение осадок, уменьшение несу­щей способности и пр. ,

Значительные осадки при нарушении структуры этого вида грун­тов обусловлены также тем, что в природных условиях они часто бывают недоуплотненными. К таким грунтам можно отнести в пер­вую очередь лёссовые грунты и мерзлые.

Недоуплотненные грунты. Условия образования отдельных ви­дов грунтов могут быть таковы, что полного уплотнения их от дей­ствия собственного веса и вышележащих слоев грунта может и не быть вследствие возникновения при незаконченном процессе консо­лидации новых структурных связей, например у лёссовых грун­тов— образование твердых коллоидных пленок и цементация мине­ральных частиц выпадающими солями; у мерзлых и вечномерз-лых — цементация минеральных частиц льдом и т. п.

Грунты, у которых при незавершенной консолидации образова­лись структурные связи, препятствующие в данных условиях даль­нейшему их уплотнению, относятся к недоуплотненным грунтам. Эти грунты при соответствующих добавочных воздействиях могут стать структурно неустойчивыми и при разрушении ранее возник­ших структурных связей доуплотняться, что вызывает их значитель­ные осадки.

Местные быстро протекающие осадки недоуплотненных струк­турно неустойчивых грунтов, обусловленные резким изменением их структуры и сопровождающиеся обычно выдавливанием образовав­шихся текуче-пластичных масс в стороны от местного воздействия, носят название просадок, а грунты, обладающие этими свойствами, относятся к категории структурно неустойчивых просадочных грун­тов. Такими будут лёссовые грунты (отложения которых широко распространены в периферийных с пустынями областях) при зама­чивании их под нагрузкой; сильнольдистые мерзлые и вечномерз-лые грунты при оттаивании, а также органо-минеральные илы при быстром нагружении, когда скорость возникновения новых водно-коллоидных связей будет меньше скорости разрушения уже сущест­вующих связей, и, наконец, рыхлые слабые пески при воздействии на них вибраций, вызывающих гидродинамические напоры и значи­тельное уменьшение трения между контактами минеральных час­тиц.

Существенным показателем физико-механических свойств струк­турно неустойчивых глинистых грунтов является их структурная прочность и изменение ее под влиянием внешних воздействий (замачивания, оттаивания, вибраций и т. п.), обусловливающее про­садку под нагрузкой.

Обычно просадочность грунтов оценивается так называемой от­носительной просадочностыо, определяемой выражением

епр =

(л О

/г/ — ]

где Нр — высота образца грунта-ненарушенной структуры (испы­тываемого без возможности бокового расширения при давлении р, равном давлению от действия внешней на­грузки и собственного веса вышележащих слоев грунта);

• высота образца того же грунта при нагрузке р, подверг­нутого воздействию, нарушающему его структурную прочность (замачивание лёссовых, оттаивание мерзлых грунтов и т. п.).

Если величина относительной просадочности еПр^0,02, то такие структурно неустойчивые грунты относят к категории просадочных.

Формулу (Л]) можно переписать в виде

епр = —-. (л2)

Нр

Как показывают соответствующие опыты (Ю. М. Абелева, Н. Я. Денисова, А. А. Мустафаева, наши и др.), величина относи­тельной просадочности е_пр при изменении внешнего давления не ос­тается постоянной, а возрастает с его увеличением.

При больших изменениях внешних давлений (до 4—5 кГ/см2 и более), согласно опытам А. А. Мустафаева, зависимость относитель­ной просадочности от величины внешнего давления криволинейна и может быть аппроксимирована степенной функцией [например, по формуле (11.35) или (11.35')].

Однако при не очень больших давлениях (практически до 2— 2,5 кГ(см2 для лёссовых грунтов при замачивании и до 2,5—4кГ/см2 для мерзлых и вечномерзлых грунтов при их оттаивании) соглас­но нашим детальным испытаниям (со статистической обработкой результатов испытаний) кривые изменения относительной деформа­ции при просадке (относительной просадочности епр) могут с дос­таточной степенью точности быть описаны полной функцией первой степени от нормального давления, т. е.

епр = А0-\- а0р, (11.41)

где Л0 — начальный параметр прямолинейной зависимости еПр = =1(р), называемый коэффициентом просадки лёссовых грунтов и коэффициентом оттаивания мерзлых и вечно-мерзлых грунтов;

* а0 — угловой коэффициент прямой, характеризующей относи­тельную сжимаемость грунтов в процессе просадки. Уравнение (11.41), как будет показано в гл. V, кладется в осно­ву расчета просадок лёссовых и сильнольдистых вечномерзлых грунтов.

Величины коэффициентов Л0 и а0 могут быть определены по ре­зультатам испытаний двух монолитов-близнецов на компрессию при просадке или (по специальной методике) по результатам испы­тания даже одного монолита грунта.

Компрессионные кривые для просадочных структурно неустой­чивых грунтов имеют весьма характерную форму (рис. 36), отли­чающуюся от обычных компрессионных кривых тем, что в процессе просадки, возникающей при определенных воздействиях, скачкооб­разно изменяется коэффициент пористости грунта и плавность компрессионной кривой претерпевает разрыв.

Рис. 36. Компрессионные кривые структурно неустойчивых грун­тов:

а — лёссовый грунт при замачивании; б — мерзлый грунт при оттаивании;

в — рыхлый песок при вибрации

Согласно произведенным испытаниям (см. рис. 36) на компрес­сионных кривых следует различать три области деформирования просадочных грунтов: область аЪ, соответствующую сжатию грунта в ненарушенном состоянии; область Ьс, характеризующую просад­ку грунтов, и область ей — уплотнение просевшего грунта с нару­шенными структурными связями, при этом наибольшая деформация грунта будет во второй области — области просадок.

По компрессионным кривым просадочных грунтов непосредст­венно определяют величину изменения коэффициента пористости грунта при просадке Депр.

Так как относительная деформация е = 5/Н, где 5 — осадки и п — начальная высота образца грунта, то из уравнения (II.1) выте­кает:

ео — б; Ае

е

ео

1 + 80

Или, приняв обозначение для просадки епр, получим

Аепр

1 + ео

(лз)

где во —■ начальный коэффициент пористости грунта (до просад­ки) ;

АеПр — изменение коэффициента пористости грунта в процессе просадки.

Испытывая образцы грунта на просадку при двух давлениях р\ и р2 и пользуясь выражением (11.41), получают два уравнения с двумя неизвестными, из которых и определяют параметры А0 и а0.

Просадочность лёссовых и вечномерзлых грунтов можно устано­вить как при соответствующих испытаниях на компрессию (наличие скачка в изменении коэффициента пористости при испытании вна­чале в естественном без нарушения структурных связей, а далее—■ при характерном для данного вида грунта внешнем воздействии,

Время I, ч

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Рис. 3/. Осадка лёссового просадочного грунта при пробной нагруз­ке с замачиванием

разрушающем структурные связи), так и с помощью пробной на­грузки. Так, на рис. 37 приведены результаты испытаний лёссового грунта пробной нагрузкой при внешнем давлении р = 1,5 кГ/см2 с замачиванием под нагрузкой, которые показывают резкое возраста­ние осадок при замачивании. Следует отметить, что при испытании пробной нагрузкой с замачиванием непросадочных глинистых грун­тов резкого увеличения осадок не наблюдается, хотя некоторое плавное их возрастание при увлажнении может иметь место.

Физико-механические свойства лёссовых грунтов, как указыва­лось ранее, при замачивании в процессе просадки резко изменяют­ся: сопротивление их сдвигу снижается в несколько раз (угол внут­реннего трения — в 1,5—2 раза, сцепления — до 10 раз), что обус­ловливает значительное уменьшение несущей способности замоченных лёссовых грунтов и выдавливание нарушенных бес­структурных масс грунта под нагрузкой.

Пассивными мерами борьбы с просадочностью сооруже­ний на лёссовых грунтах является заложение подошвы фундамен­тов ниже просадочной толщи (если это технически возможно), что вызывает применение свайных и столбчатых фундаментов глубоко­го заложения (порядка 6—20 м).

Активные меры борьбы с просадочностью лёссовых грунтов сводятся к химическому их закреплению по методу силикатизации или обжигу несущих объемов грунта с помощью специальных уста­новок, а также применению трамбованных грунтовых свай из зара­нее замоченного по особой технологии того же лёссового грунта. Все эти приемы описываются в курсах оснований и фундаментов.

При испытании мерзлых и вечномерзлых грунтов весьма важно учитывать их особые физико-механические свойства.

Мерзлые и вечномерзлые грунты *. К структурно неустойчивым просадочным грунтам можно отнести также большой класс сильно­льдистых мерзлых и вечномерзлых грунтов, превращающихся при оттаивании в разжиженные или мягко-пластичные массы.

Мерзлые и вечномерзлые грунты (последними называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии многие годы — века) распро­странены на большой части территории СССР (вечномерзлые грун­ты— на 49% всей площади) и являются типичными четырехкомпо-нентными системами частиц, так как к обычным трем компонентам грунтов (твердой, жидкой и газообразной) прибавляется идеально пластичная компонента — лед, образующийся из поровой воды при температуре замерзания.

Однако поровая вода в грунтах замерзает далеко не вся при 0°, а как бы по категориям: свободная вода (в крупных породах) за­мерзает при температуре, близкой к 0°; слои связанной воды замер­зают при отрицательных температурах, все более низких по мере увеличения связанности воды минеральными частицами; некоторое же количество связанной воды при любой отрицательной темпера­туре в дисперсных грунтах всегда остается в незамерзшем состо­янии.

Поэтому в дальнейшем мерзлыми грунтами мы будем называть грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в кото­рых хотя бы часть содержащейся воды замерзла, т. е. превратилась бы в лед, цементируя частицы.

Различные грунты в зависимости от их состава (главным обра­зом от величины удельной поверхности минеральных частиц) со­держат даже при одной и той же отрицательной температуре раз­личное количество незамерзшей воды (рис. 38), причем каждый грунт имеет свою характерную кривую незамерзшей воды.

Как показывают соответствующие опыты, количество незамерз­шей воды и льда в мерзлых грунтах не остается постоянным, а из­меняется под влиянием внешних воздействий (отрицательной тем­пературы, внешнего давления и пр.), находясь с ними в динамиче­ском равновесии.

Высказанное положение формулирует известный в механике мерзлых грунтов принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах (проф. Н. А. Цытовича), являющийся физической базой исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов.

-5 -10 -20 -30

Рис. 38. Кривые содержания незамерзшей воды Шпа

в мерзлых грунтах в зависимости от величины их

отрица­тельной температуры (—8°):

/ — глина; 2 — суглинок; 3 —супесь; 4 —песок

Самое существенное влияние на физико-механические свойства мерзлых грунтов оказывает цементирующее действие льда, общее содержание которого определяется льдистостью I мерзлых грунтов, равной отношению веса льда к весу всей воды, содержащейся в грунте, т. е.

_и^с-и^нз (П 2)

где В^нз ■— влажность за счет незамерзшей воды (в долях от сухой навески);

И7С — суммарная влажность мерзлого грунта.

Отметим, что для мерзлых грунтов оказывается более показа­тельным вычислять не весовую влажность №с (на сухую навеску), а так называемую общую влажность ТС^общ (по отношению к весу всего грунта), что позволяет избежать трудно воспринимаемые ве­личины весовой влажности мерзлых грунтов, большие 100%. Так, например, весовая влажность мерзлого грунта №=200% будет со­ответствовать общей влажности в 66%, т. е. 66% от общего веса мерзлого грунта будет составлять вода всех категорий.

Так как общая влажность №0бщ равна отношению веса воды к весу всего грунта, то (для 1 см3 грунта)

ИР,

№сУс

общ

Подставляя в это выражение значение объемного веса скелета грунта уск по формуле (1.3), получим

Ч^общ :

1 + №с(11.43)

Точно так же (для 1 см3 мерзлого грунта) будем иметь:

вес твердых частиц §"Ск = у 0 — ^общ); (11.44)

вес льда ^л = у^обш/; (11.45)

вес воды в жидкой фазе ^в = у^общ (1 — 0. (11.46)

Естественно, что для единицы объема грунта будет справедливо равенство

,(11.47)

§ск + +к = у.

Таким образом, для оценки физических свойств мерзлых грунтов необходимо знать четыре характеристики: объемный вес у; удель­ный вес ууд; суммарную влажность УРС и влажность за счет неза­мерзшей воды ЦРцз. Остальные характеристики определяются по формулам, приведенным в табл. 7.

Важными показателями механических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов будут величина длительного сцепления сдл, позволяющая оценить несущую способность мерзлого грунта при данной его отрицательной температуре, и величина коэффициента оттаивания А0, позволяющая рассчитать возможную «осадку отта­ивания», которая обычно составляет значительную (иногда более 90%) долю от всей осадки оттаивающих оснований.

Величина едл определяется по методу шарового штампа (см. § 4 наст, главы) по формуле (11.34)

0,18

дл

где 5ДЛ — длительная осадка мерзлого грунта под шаровым штам­пом диаметром /_) при нагрузке Р.

Как показали исследования Института мерзлотоведения Сиб. отд. АН СССР (1966 г.), длительная осадка при испытании мерзлых грунтов шаровым штампом равна приблизительно половине осад­ки штампа за 30 мин наблюдения, т. е.

Таблица 7

Взаимосвязь показателей основных физических свойств мерзлых грунтов

Величины, определяемые опытом

Величины, вычисляемые по формулам

'Ууд — удельный вес

ооъемныи вес

К'с — суммарная влажность на сухую навеску

№Нз — влажность за счет незамерзшей воды в долях от веса сухого грунта

Общая влажность №0б

П^с

1 + ^с

Льдистость весовая 1=

№ с

Льдистость объемная

.__7_ ^с ~ ^НЗ

'об - " 1 , ГРУ

7л

(ул — объемный вес льда) Объемный вес скелета грунта

Тек = 7(1 — ^общ) Коэффициент пористости мерзлого грунта

^ _ ТУд Тек

Тек

Вес составных частей (в 1 см3) мерзлого грунта: льда й'п='у^общ1; незамерзшей воды 8в=\УРоат(1—'); твердых частиц ёгск = у(1 —^овщ) Объем газов

У0 = (—-—) Тек

\ 1 Тв У

Зная Сдл, можно легко определить совершенно безопасную на­грузку на вечномерзлые грунты при сохранении их отрицательной температуры, рассматривая мерзлые грунты как идеально связные тела (см. гл. IV, § 3).

Величину коэффициента оттаивания А0 можно определить при испытании на осадку оттаивающего грунта (в шурфе площадью 1—2 м2) под действием только его собственного веса (без нагруз­ки) .

Если оттаивающий слой будет незначительной толщины (менее 0,5 м), то максимальное давление от собственного веса грунта так­же будет малым (как правило, менее 0,1 кГ/см2) и тогда вторым членом в формуле (11.41) можно пренебречь. В этом случае будем иметь

(11.49)

где 50 — осадка слоя оттаивающего грунта;

/г — глубина оттаивания.

Глава III