Лессовые просадочные грунты

Просадочными грунтами называются грунты, которые под воздействием поверхностных или подземных вод утрачивают свою природную структуру, что приводит к большим по величине деформациям провального типа под действием внешней нагрузки или и под влиянием собственного веса.

Типичные просадочные грунты – макропористые – лессовые и лессовидные. Наибольшие просадки свойственны грунтам лессовым, эолового происхождения, обладающим неоднородностью химического и минералогического состава грунтового скелета. Встречаются лессовидные грунты любых происхождений и также во многих случаях дают просадки при замачивании. Ранее, до 1930-х годов, строители не уделяли внимания специальному изучению свойств просадочных грунтов. Однако в период 1929-1934 гг. были зарегистрированы случаи катастрофических деформаций сооружений:

1. Доменные печи Запорожстали за 4 года эксплуатации претерпели просадку местами более 130 см.

2. Дымовая труба Кузнецкого завода испытала просадку до 119 см.

3. Опоры железнодорожного моста на Урале просели на 92 см и 104 см.

4. Некоторые ирригационные каналы в Средней Азии просели до 220 см.

Причиной этих деформаций, как показали проведенные исследования, послужило замачивание грунтов оснований.

Практика гражданского строительства также дает ряд примеров просадочных деформаций сооружений (здания школы в Туле, Госбанка в Ростове-на-Дону). Большое количество примеров можно было бы привести и из практики зарубежного строительства в Германии, Америке и других странах.

Просадочные деформации как по величине, так и по времени неравномерны и оказывают разрушительное воздействие на надземные части сооружений.

Наибольшее количество просадочных деформаций происходило от проникновения в толщу грунта поверхностных вод – производственных, бытовых или атмосферных. Особенно значительное обводнение территорий наблюдается в зоне деятельности металлургических предприятий (Запорожсталь, Кузнецкий комбинат, Никопольский комбинат), а также в ирригационных сооружениях. В некоторых случаях замачивание грунта основания было вызвано поднятием уровня грунтовых вод (мост на Урале).

Полевые и лабораторные исследования, начатые еще в 30-х годах ВИОСом, ведутся в настоящее время большинством научно-исследовательских институтов и проектных организаций. Такой интерес к вопросу изучения просадочных деформаций объясняется широким распространением лессовых и лессовидных грунтов на Дону и Кубани, в Среднем и Нижнем Поволжье, в районах Западной Сибири, Забайкалья. Встречаются лессовые просадочные грунты и на Урале, в том числе в Перми.

Лессы и лессовидные грунты представляют собой глинистые грунты (супеси, суглинки и реже глины). Для строителя черезвычайно важно уметь отличать их от обычных грунтов по внешним признакам, а еще важнее - отличать просадочные грунты от непросадочных.

Важнейшими признаками грунтов, обладающих склонностью к просадочным деформациям, являются:

1. Однородность зернового состава при преобладании пылеватых фракций и сравнительно незначительном содержании глинистых.

2. Наличие видимых невооруженным глазом пор (макропор), по своим размерам значительно превышающих размеры частиц. Эти поры представляют собой канальцы, покрытые изнутри налетом отложенных солей, образовавшимся в результате гниения корней и стеблей растений; за счет геологических процессов, развивавшихся в течение многих тысячелетий, слои грунта с развитой растительностью оказались перекрытыми слоями более позднего возраста, в которых в свою очередь развивались те же процессы; в иных случаях макропоры представляют собой результат действия процессов выщелачивания (элювиальные грунты).

3. Вертикальность откосов природных обнажений и искусственных выемок, устойчивость которых объясняется наличием вертикальных трубочек (отложений солей на стенках канальцев), как бы армирующих толщу грунтов в вертикальном направлении.

4. Малая природная влажность грунтов, объясняемая высокой водопроницаемостью по вертикальным макропорам.

5. Обилие ходов землероев (червей, кротов), белесых включений, называемых на Украине "белоглазка", общих светлых тонов окраски (серых, палевых, светло-желтых).

6. Быстрое размокание в воде, сопровождающееся обильным выделением пузырьков газа.

Однако наличие большинства или даже всех вышеуказанных признаков еще недостаточно для суждения о наличии у грунтов просадочных свойств.

Просадочность грунта оценивают относительной просадочностью e_se, которую можно определить по данным компрессионных испытаний с подачей воды в прибор. По данным испытаний строят график зависимости высоты образца от давления и характера деформации при замачивании (рис.2.30,а)

, 2.69

где h_пр – высота образца грунта природной влажности при давлении на данной глубине после возведения сооружения, h_satp – высота образца после просадки от замачивания, h_nq – высота образца при природном давлении P=s_zq на данной глубине z.

Рис.2.30. Деформации лессового грунта при замачивании: а – компрессионная кривая; б – изменение коэффициента относительной просадочности

Грунт считается просадочным при e_sl³0,01. Серия опытов с замачиванием образцов при различных давлениях позволяет построить график зависимости коэффициента относительной просадочности от давления (рис.2.30,б). По графику можно оценить начальное просадочное давление P_sl, при котором e_sl = 0,01. При меньшем давлении лессовый грунт считается практически непросадочным.

Просадочность грунта при замачивании объясняется рядом причин, основная из которых – размягчение неводостойких связей между частицами грунта. При попадании воды в грунт вокруг частиц образуются водные пленки, утолщение которых оказывает на частицы "раскалывающее" действие. Структурные связи между частицами, представляющие собой цементацию солями или склеивание коллоидными частицами, разрушаются (частично растворяются, размягчаются, размокают). Все это приводит к оплыванию частиц грунта и заполнению ими макропор, т.е. к уменьшению объема грунта (просадка).

Лабораторные определения основных характеристик просадочных грунтов подтверждают однородность зернового состава (обычно c_u £ 3), высокое содержание пылеватых фракций (до 70-80%), невысокую влажность (часто меньше 10-12%). Химический анализ большей частью показывает высокое содержание карбонатов (углекислых солей), в связи с чем грунт "вскипает" от соляной кислоты.

В природе встречаются макропористые грунты, не обладающие просадочными свойствами. Это, преимущественно, грунты с высокой природной влажностью, т.е. грунты, подвергшиеся влиянию замачивания в природных условиях. При степени водонасыщения S_r > 0,8 испытания на просадочность можно не производить, т.к. грунты заведомо не будут просадочными даже при наличии всех вышеописанных признаков.

Другой причиной отсутствия просадочности может служить высокая набухаемость грунтов, объясняемая повышенным содержанием глинистых частиц или высокой их дисперсностью (значительное содержание коллоидов). В таких высокогидрофильных грунтах при увлажнении происходит образование адсорбционных пленок большой толщины, что влечет за собой увеличение объема грунта (набухание).

Таким образом, набухаемость и просадочность грунта находятся как бы в борьбе друг с другом и, в конечном счете, склонность грунта к просадочным деформациям определяется либо большей набухаемостью, либо большей просадочностью. В частности, элювиальные глинистые грунты, среди которых нередко встречаются макропористые, большей частью непросадочные, т.к. богаты содержанием коллоидов и, соответственно, высокогидрофильны.

При замачивании просадочных грунтов в природных условиях, особенно поверхностными водами, просадочные явления усугубляются за счет значительного выноса вещества скелета грунта в растворенном (соли) и взвешенном (пылеватые частицы) состоянии в нижележащие слои грунта за счет высокой фильтрационной способности грунта в направлении макропор.

Просадочные свойства грунтов наиболее достоверно могут быть определены полевыми испытаниями с замачиванием. Результаты таких испытаний графически представлены на рис.2.31.

Рис.2.31. Зависимость между осадкой и давлением в условиях замачивания:

в полевых условиях (а) и зависимость между осадкой и временем (б)

Мерзлые грунты

Мерзлыми называются грунты, в порах которых хотя бы часть воды превратилась в лед.

Значение изучения свойств мерзлых грунтов определяется не только тем обстоятельством, что более 50% территории России занимает вечная мерзлота, но и особенностями сезонного промерзания грунтов почти по всей территории. К вечномерзлым грунтам относятся грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет и даже столетий.

Физико-механические свойства грунтов при замерзании и оттаивании подвергаются существенным изменениям.

Вода, превращаясь в лед, цементирует частицы грунта, придавая ему структурную связанность, повышенные механические свойства, водонепроницаемость. При замерзании грунтов, особенно зернистых, пылеватых, водонасыщенных, происходит увеличение объема грунта. Перемещение влаги вверх из нижних слоев, образование линз из льда приводит к пучению грунта.

Мерзлые и вечномерзлые грунты могут иметь слитную, слоистую и ячеистую (сетчатую) морозную текстуру (рис.2.32).

Рис.2.32. Морозные текстуры грунта: а – слитная; б – слоистая;

в – ячеистая (сетчатая)

Слитная текстура характерна для крупнообломочных, гравелистых грунтов и всех песков, кроме пылеватых.

Слоистая морозная текстура характерна для пылеватых глинистых грунтов и пылеватых песков. Эта текстура образуется при промерзании сильно увлажненных грунтов и при миграции воды из нижних водоносных горизонтов.

Ячеистая (сетчатая) морозная текстура образуется при промерзании пылевато-глинистых грунтов, находящихся в сильно увлажненном состоянии, и при свободном подтоке воды.

При оттаивании мерзлый грунт, как правило, оказывается перенасыщенным водой, лишенным природных связей между отдельными частицами, при таянии обращается в жидкую грязь, лишенную первоначальных механических свойств, и дает под нагрузкой просадку (рис.2.33).

Для пояснения вышеуказанного явления миграции следует рассмотреть особенности свойств воды в мерзлых грунтах. Как показали исследования коллектива ученых под руководством члена-корреспондента АН СССР Н.А.Цытовича, вода в мерзлых грунтах может содержаться в трех состояниях (фазах) - твердом, жидком и парообразном.

Лед в виде твердого вещества заполняет поры, и, кроме того, образует в ослабленных участках грунта льдистые включения – кристаллы, линзы, прослойки.

Пар заполняет поры и трещины грунта, свободные от воды.

Жидкая вода сохраняется в грунте в связи с пониженной температурой замерзания гидратных оболочек. Содержащаяся в тонкозернистых грунтах вода замерзает постепенно: сначала свободная, затем, по мере понижения температуры, рыхлосвязанная, и, наконец, при значительном понижении температуры, прочносвязанная. Свободная вода в грунте замерзает при температуре ниже нуля, иногда при -1⁰…-1,5⁰С. Это объясняется значительной минерализацией или понижением температуры замерзания воды в капиллярах. Связная вода может замерзать при весьма низких температурах и, как показали исследования Н.А.Цытовича, в глинистых грунтах всегда содержится некоторое количество прочносвязанной воды, не замерзающей ни при каких практически доступных отрицательных температурах.

Согласно теории равновесного состояния Н.А.Цытовича, количество, состав и свойства воды, содержащейся в мерзлых грунтах, не остаются постоянными, а изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними. При понижении температуры увеличивается количество замерзшей воды, повышается прочность грунта и увеличивается содержание включений льда. Количество незамерзшей воды при одинаковых температурах всегда значительно больше в глинах, чем в песках; этим, наряду с жесткостью скелета, может быть объяснена повышенная прочность мерзлых песков против мерзлых глин. Чем выше дисперсность грунтов, чем она плотнее, тем длительнее протекает процесс замерзания воды.

Миграция влаги происходит за счет следующих особенностей развития процесса замерзания. Во-первых, в связи с уменьшением объема твердого вещества минеральных частиц при понижении температуры образуются новые трещины и капиллярные ходы и увеличивается капиллярный подсос влаги. Во-вторых, при образовании в порах грунта кристаллов льда происходит подсос влаги к растущим кристаллам, подобно подсосу растворенных солей при росте кристаллов в пересыщенных растворах. В-третьих, происходит движение водяных паров от мест с большим давлением к местам с меньшим давлением, т.е. по направлению к области промерзания.

Основную роль в миграции воды в тонкодисперсных водонасыщенных грунтах играет движение пленочной воды, движущейся под влиянием молекулярных сил в сторону промерзания грунта для пополнения толщины частично замерзших гидратных оболочек (рис.2.34).

Рис.2.34. Схема миграции пленочной влаги при промерзании грунта

1 – твердая частица;

2 – лед;

3 – пленочная влага;

4 – свободная вода;

5 – зона питания;

6 – зона промерзания

Максимальная всасывающая способность характерна для глин, а максимальное накопление влаги – для промерзших пылеватых супесей и суглинков, которые, кроме того, обладают еще и сравнительно высокой всасывающей способностью. В крупнозернистых грунтах вместо подсоса происходит отжатие влаги растущими кристаллами льда при весьма незначительной величине всасывания. Это явление носит название “поршневого эффекта”. На практике это свойство крупнозернистых грунтов используют при устройстве так называемых противопучинистых прослоек, преграждающих путь движущейся влаге.

Льдовыделение – образование прослоек, линз и кристаллов льда – происходит в грунтах, обладающих свойством максимального накопления влаги, при возможности высокого их водонасыщения.

В вечномерзлых грунтах эти льдистые включения достигают больших размеров. В сезонно-промерзающих грунтах толщина включений достигает иногда нескольких сантиметров.

При быстром промерзании грунта влага не успевает накапливаться в зоне промерзания и явления пучения и льдовыделения ослабевают. Соответственно вышеизложенному по степени пучинистости различают следующие виды грунтов:

1) непучинистые – скальные, крупнообломочные, песчаные крупнозернистые;

2) слабопучинистые – песчаные среднезернистые, глинистые, пылеватые и мелкозернистые песчаные при малой водонасыщенности и отсутствии возможности подсоса влаги;

3) пучинистые – глинистые, пылеватые, мелкозернистые при высоком водонасыщении или наличии условий для миграции влаги к области промерзания.

При нарушении природной структуры грунта от промерзания и значительного переувлажнения при оттаивании (местное – при таянии льдистых включений) необходимо предотвращать промерзание пучинистых грунтов оснований как в период строительства, так и в период эксплуатации сооружений. При влажности грунта, не превосходящей максимальной гигроскопической, и отдаленности источника питания зоны промерзания водой пучинистые деформации грунта ничтожны.

В благоприятствующих их развитию условиях пучинистые деформации (тонкозернистые грунты, длительный процесс промерзания, близкое расположение грунтовых вод от зоны промерзания) могут достигать больших величин и вызывать подъем на десятки сантиметров поверхности грунта и расположенных на грунте легких сооружений. Это необходимо учитывать при выборе глубины заложения фундаментов и решении конструкций подземных частей сооружений.

К пучинистым грунтам относятся грунты, у которых относительная деформация морозного пучения e_fh ³ 0,01. Этот показатель определяется по формуле

, (2.70)

где h_0f – высота образца мерзлого грунта, см; h₀ – начальная высота образца талого грунта до замерзания, см.

Мерзлый грунт является четырехкомпонентной системой и для оценки его физического состояния экспериментальным путем определяют четыре основные характеристики:

- плотность мерзлого грунта r_f ненарушенной структуры, равную отношению массы образца q_q, находящегося в мерзлом состоянии, к его объему V_q:

; (2.71)

- плотность твердых частиц грунта r_s, определяемую с помощью пикнометра как для талых грунтов;

- cуммарную весовую влажность мерзлого грунта , зависящую от содержания в грунте воды и льда. Она равна отношению массы всех видов воды в грунте, испаряющейся при температуре 105⁰С, к массе твердых частиц;

- количество (весовое содержание) незамерзшей воды w_w при температуре природного залегания грунта, определяемое по формуле

w_w =k_ww_p, (2.72)

где k_w – коэффициент, зависящий от числа пластичности и температуры грунта, w_p – влажность грунта на границе раскатывания.

Зная четыре основные характеристики грунта r_f, r_s, и w_w, можно вычислить такие необходимые при расчетах характеристики, как суммарная льдистость и льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений.

Суммарная льдистость мерзлого грунта (отношение содержащегося в грунте объема льда к объему мерзлого грунта) определяется по формуле

, (2.73)

а льдистость грунта за счет видимых ледяных включений i_i – по формуле

, (2.74)

где – суммарная влажность мерзлого грунта; r_i – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см³; r_f – плотность мерзлого грунта, г/см³; w_w – влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями.

Зная r_f и находим плотность скелета грунта

(2.75)

и удельный вес мерзлого грунта

g_f = r_fq , (2.76)

где q – ускорение свободного падения.

По данным компрессионных испытаний мерзлых грунтов с оттаиванием находим коэффициент просадочности образца грунта, содержащего включения льда,

, (2.77)

где h_f и h_fh – высота образца в мерзлом и талом состоянии при неизменном давлении.

Найдя несколько значений e_th при разных внешних давлениях, строят график (рис.2.35). Зависимость этого графика описывается выражением

, (2.78)

где A_th – коэффициент оттаивания грунта, d – коэффициент относительной сжимаемости при оттаивании. Зная эти коэффициенты, определяют осадку фундамента в процессе оттаивания грунта.

Рис.2.35. Зависимость e_th от внешнего давления

Рыхлые пески при динамическом воздействии дают резкие по величине просадки (рис.2.36).

Рис.2.36. Компрессионная кривая для рыхлых песков при вибрации

Плывунные грунты

Плывунными грунтами или плывунами называют не род грунта, а его состояние по плотности и влажности. Мелкозернистые водонасыщенные грунты с жестким скелетом и рыхлым строением (мелкозернистые пески, супеси) способны под влиянием динамических воздействий приходить в движение вместе с водой, т.е. проявлять свойства вязкой жидкости. Такая подвижность в наибольшей степени проявляется при значительном содержании тонких пылеватых фракций и хотя бы самого ничтожного количества коллоидов.

В природном залегании такой мелкозернистый грунт, в связи с черезвычайно малой водоотдачей, представляет собой по внешним признакам плотную массу и, при условии сохранения неизменности его структуры, может воспринимать внешнюю нагрузку. Однако поставленный на поверхность плывуна тяжелый предмет (например, лом) погружается в него под действием собственного веса, как говорят, плывун “засасывает” его.

Если по дну котлована, сложенного плывуном, ударить тяжелым предметом (например трамбовкой), то от места удара в стороны начнут распространяться волны, а если передать многократно-приложенную (вибрирующую) нагрузку, то будет наблюдаться дрожание поверхности, а сам ударяющий предмет затонет. В практике строительства наблюдались случаи, когда прочные по внешним признакам грунты растекались на большие пространства, сметая все на своем пути. Встречалось немало случаев разжижения песка в основаниях сооружений. Наиболее интересны следующие примеры.

1. В Голандии с 1881 по 1946 г. зарегистрировано 230 случаев разжижения песка на побережье, вызвавшего растекание в отдельных случаях огромных объемов – до 3 млн м³. Обычно катастрофы наступали при отливе воды после особенно высоких приливов.

2. В США в 1938 г. произошел сдвиг глинистого грунта в основании намывной плотины Форт-Пэк. Этот сдвиг привел к разжижению части тела плотины. В движение пришла масса песка объемом около 3,8 млн м³, расплывшаяся в течение 10 мин.

3. В 1936 г. в порту Канданакша в течение 2 мин разрушилась строящаяся набережная, разрушение произошло во время засыпки грунта за ограждающие ряжи для образования портовой территории. Грунт при этом обратился как бы в жидкое тело и разлился на десятки метров, и выстроенные ряжи затонули.

4. В 1950 г. в г.Челябинске при погружении водоприемного опускного колодца в грунт, представляющий собой элювиальную супесь диоритов, оболочки колодца внезапно затонули в собственном основании. Причиной послужило ведение разработки грунта с открытым водоотливом, вызвавшее движение грунта за стенками оболочки и ослабление сил трения по ее поверхности.

Существуют различные толкования как причин, вызывающих разжижение, так и процессов, происходящих в грунтах в момент потери ими устойчивости. Следует считать несомненным, что в любых случаях в момент разжижения утрачивается трение между отдельными частицами грунта и разрушается его структура, в связи с чем разобщенные частицы грунта, взвешенные в воде, приобретают способность течь наподобие вязкой жидкости. Разумеется, эти явления никогда не происходят самопроизвольно, а лишь под влиянием силовых воздействий. Статическая нагрузка не может уменьшить силы трения между частицами, напротив, она способствует их увеличению. Вызвать разобщение частиц, их взвешивание в воде, может лишь нагрузка динамическая, в том числе и гидродинамическая.

Сущность плывунов и плывунных явлений объяснил проф. Н.М.Герсеванов: устойчивость нагруженного внешней нагрузкой водонасыщенного песка в спокойном состоянии обусловлена наличием трения между частицами грунта, под действием внешних сил. Согласно этому, например, резиновый мешок с песком легко деформируется, пока в порах песка находится воздух; если воздух выкачать, то мешок уподобится камню, т.к. атмосферное воздействие мобилизует трение между частицами песка, препятствующее их взаимному перемещению.

Для определения плотности структуры зернистых грунтов рассмотрим пример разной укладки шариков одинаковых размеров. Встряхивание шариков, сложенных неустойчиво, резко уменьшает пористость, и происходит их укладка в устойчивую структуру. Такое внезапное уменьшение пористости при встряхивании происходит лишь в случае, если объем пор может беспрепятственно уменьшиться. Если же шарики имеют очень малые размеры и поры заполнены водой, то в момент встряхивания вода выдавиться не успевает, контакты разобщаются, шарики оказываются взвешенными в воде, т.е. система обращается в суспензию (рис.2.37).

Рис.2.37. Схемы грунтовых структур (1 – зерно, 2 – вода):

а – неустойчивая, n = 48%; б – устойчивая, n = 26%; в – неустойчивая, в момент нарушения контактов между зернами, n = 48%

Если при этом система находилась под нагрузкой, то все давление полностью передается воде, под влиянием напора воды начинается интенсивное ее движение во всех направлениях; поток воды нарушит структуру близлежащих масс и вся система, при отсутствии ограничения движения воды, растечется на большое расстояние от источника разрушения.

Природные системы (грунты) существенно отличаются от скопления шариков одинаковых размеров, однако сущность происходящих явлений остается той же. Это можно подтвердить следующим примером. Если на поверхность мелкозернистого рыхлосложенного песка в сосуде осторожно поставить груз, то он будет стоять, не погружаясь в песок; сохранение устойчивой структуры при этом обусловлено силами трения между песчинками. Если же вблизи гири с силой втолкнуть в песок нож, то груз затонет в образовавшейся суспензии, т.к. контакты между частицами разобщатся, а вода выдавиться из пор не успеет.

Как видно из приведенных рассуждений, в плывунное состояние наиболее легко могут приходить рыхлосложенные грунты, однако не следует забывать, что разрыхление может быть вызвано теми же причинами, которые вызывают разжижение, например восходящими токами воды или динамическим воздействием (встряхивание). Чем плотнее грунт, тем большее динамическое воздействие необходимо для перевода его в плывунное состояние.

В строительной практике явления разжижения вызываются чаще всего следующими причинами:

1) открытым водоотливом, связанным с развитием восходящих токов воды, большими величинами гидродинамических сил, взвешивающих частицы грунта и переводящих грунт в состояние суспензии (случай с опускным колодцем в Челябинске);

2) быстрым приложением нагрузки, вызывающим внезапное повышение напора в поровой воде, возникновение фильтрации, развитие гидродинамических сил и выдавливание грунта; такое явление при возведении фундаментов можно предотвратить устройством дренирующих подготовок под фундамент или ограждением его основания шпунтовым рядом;

3) действием ударной или вибрационной нагрузки на рыхлосложенный грунт основания; в этом случае целесообразно предварительно уплотнить грунт;

4) повышением уровня грунтовых вод, снимающим натяжение капиллярных менисков на поверхности грунта и оказывающим взвешивающее действие на частицы грунта и на фундамент сооружения; это явление тоже может быть предотвращено предварительным уплотнением грунта.