Структурно-неустойчивые грунты, их особенности как основания для строительства.

Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, протекающих, как правило, с большой скоростью. К основным воздействиям относятся увлажнение грунтов, промерзание и оттаивание, суффозия и выветривание, внешние нагрузки, перемятие грунтов и др.

Такое название они получили потому, что при определенных условиях их природная структура сравнительно резко нарушается. К структурно-неустойчивым относятся следующие грунты:

- лессовые, структура которых нарушается при замачивании их под нагрузкой;

- набухающие, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой;

- засоленные, песчано-глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования

сильносжимаемые грунты, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры;

- торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью;

- мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании.

Лессовые просадочные грунты широко распространены в Среднем и Нижнем Поволжье, Западной Сибири, на Северном Кавказе и в других районах страны.

В зависимости от увлажнения лессы различным образом ведут себя под действием внешней нагрузки. Так, в «сухом» состоянии (ω≤0,09) лессы отличаются значительной прочностью и относительно высокой несущей способностью. В таком состоянии они выдерживают давление на грунт Р≤0,4МПа при небольших осадках и способны сохранять достаточно большую высоту вертикального откоса.

относительной просадочностью εsl — относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания (см. п. 4.10);

начальным просадочным давлением Psl — минимальным давлением, при котором проявляются просадочные свойства грунтов при их полном водонасыщении;

начальной просадочной влажностью ωsl — минимальной влажностью, при которой проявляются просадочные свойства грунтов.

Относительная просадочность грунта определяется в компрессионных приборах по методу одной или двух кривых (ГОСТ 23161—78).
По методу одной кривой (рис. 5.18,а,б) испытывают пробу грунта естественной влажности при заданном давлении. После стабилизации осадки грунт насыщают водой, замеряя просадку, и испытание продолжают уже для водонасыщенного грунта.

По методу двух кривых (см. рис. 5.18,в) компрессионным испытаниям подвергают две пробы грунта: одну — при естественной влажности, вторую — при полном водонасыщении, после чего строят графики зависимости е, ∆h=ƒ(P). На кривых (см. рис. 5.18,а) различают три области деформирования просадочных грунтов: область ab, соответствующую сжатию грунта в ненарушенном состоянии; область bc, характеризующую просадку грунтов, и область cd — уплотнение грунта с ненарушенными структурными связями. По кривым e, Δh=ƒ(P) просадочных грунтов непосредственно определяют значение изменения коэффициента пористости грунта при просадке ∆εsl а также относительную просадочность εsl,по формуле (4.5).

Рис. 5.18. Компрессионные кривые просадочного грунта: а, б — по методу одной кривой, соответственно, пылевато-глинистых при замачивании и рыхлых песчаных при вибрации; в — по методу двух кривых; 1 — для грунта естественной влажности; 2 — для грунта, насыщенного водой

Согласно СНиП 2.02.01—83* расчетным состоянием просадочных грунтов по влажности является полное водонасыщение Sr> 0,8.

Относительная просадочность грунта при его неполном водонасыщении (ωsl≤ω≤ωsat) определяется по формуле

где εsl — относительная просадочность при полном водонасыщении

Начальное просадочное давление Psl — это давление, при котором относительная просадочность esl = 0,01, т.е. при котором грунт считается просадочным. Если провести серию компрессионных испытаний лессового грунта с замачиванием образцов при различных нагрузках, то нетрудно получить график зависимости относительной просадочности от давления (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Зависимость относительной просадочности от нормального давления лессового суглинка Георгиевска (1) и Ростова-на-Дону (2) (по Я.Д. Гильману, 1991): Δ — метод одной кривой; х — метод двух кривых

За начальную просадочную влажность ωsl по аналогии принимается влажность, при которой в условиях заданных давлений esl = 0,01.
Ее значения зависят от напряженного состояния грунта, природной плотности и прочности структурных связей. С увеличением давления на грунт начальная просадочная влажность уменьшается.

Значения модуля общей деформации лессового грунта изменяются в широком интервале. Это обусловлено тем, что они существенно зависят от исходной влажности и пористости грунта. В качестве примера в табл. 5.6 приведены систематизированные значения модуля деформации лессовых суглинков Ростовской области. Данными табл. 5.6 можно воспользоваться в том случае, когда отсутствуют результаты штамповых испытаний грунта с учетом прогнозируемой его влажности.

Таблица 5.6. Значения модуля деформации лессовидных суглинков в диапазоне нормативных давлений 0,1—0,3 МПа (по Я.Д. Гильману, 1991)

Просадка как деформация зависит (рис. 5.20) от минералогического и гранулометрического составов грунта, его влажности, плотности и напряженного состояния, поэтому для каждого лессового грунта определяют просадочность при давлениях, которые он будет испытывать в основании под сооружением.

Рис. 5.20. График зависимости относительной просадочности от Ip, е и Sr: а — от числа пластичности; б — от коэффициента пористости; в — от степени влажности

Набухающие грунты имеют широкое распространение. Такие грунты распространены в Египте, Бирме, США, ЮАР, а в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы. В странах СНГ такие группы встречаются в Казахстане, Грузии, Азербайджане, Украине, России (Поволжье, Северный Кавказ и других районах).
Характерной особенностью набухающих грунтов является резкое снижение их несущей способности при замачивании.

Набухающие глинистые грунты характеризуются следующими параметрами:

относительным набуханием при заданном давлении εsω;

Эти характеристики определяются в лабораторных условиях согласно ГОСТ 24143-80.

Давлением набухания Psω грунта называют то минимальное давление, при котором грунт не набухает.

Давление набухания развивается в глинистом грунте как реакция внешней нагрузке, передаваемой на грунт от сооружения или выщелачивающей толщи грунта. Это давление может достичь 0,8 МПа и возникает в основании гидротехнических сооружений после пуска в них воды, что приводит к деформациям этих сооружений, вследствие неравномерного поднятия фундамента на разных участках.

За влажность набухания ωsω принимается влажность, полученная после завершения набухания образца, обжатого без возможности бокового расширения заданным давлением Р. С увеличением плотности грунта влажность набухания уменьшается.

Набухаемость грунтов оценивают коэффициентом относительного набухания εsω, который находят испытанием грунта в одометре, и нагружают давлением, которое ожидается на данной глубине с учетом давления от возводимого сооружения. Затем в одометр подают воду. В результате чего происходит набухание образца грунта, т.е. поршень одометра будет перемещаться вверх. По данным испытания можно построить кривую (рис. 5.21,а).

Рис. 5.21. Зависимости деформаций набухающего грунта (а) и относительного набухания (б) от нормального давления

При экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима относительное набухание находят по формуле

где k — коэффициент, определяемый опытным путем, а при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 2;
ωeg — конечная (установившаяся) влажность грунта;
ω0 — начальная влажность грунта;
ε0 — начальное значение коэффициента пористости грунта.

Значения относительного набухания зависят от плотности и начальной влажности грунта. С увеличением начальной влажности образца грунта набухание снижается тем быстрее, чем больше ωо.

Снижение прочностных характеристик при набухании происходит у всех набухающих грунтов. После набухания грунта модуль деформации уменьшается в несколько раз, что наглядно видно из табл. 5.7. Также видно, что модуль деформации набухающих глин, определенный в лабораторных условиях, значительно ниже, чем определенный при полевых испытаниях.

Таблица 5.7. Значения модуля деформации набухающих глин до и после замачивания (по Е.А. Сорочану, 1989)

Так, для глины природной влажности модуль деформации по полевым данным больше, чем по лабораторным, в 2,3—2,7 раза, а для увлажненной — в 3,0—3,3 раза.

Засоленные грунты широко распросфанены в Прикаспийской низменности, Центральном Поволжье, Западной и Восточной Сибири. К засоленным грунтам относятся песчано-глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования. При оценке грунтов важно знать содержание в них водорастворимых солей.

В соответствии с классификацией В.П. Петрухина (1989) к засоленным относятся грунты, минимальное содержание в которых водорастворимых (легко- и среднерастворимых) солей от массы абсолютно сухого грунта, составляет:

При замачивании засоленных грунтов наблюдаются:

появление суффозионной осадки при длительной фильтраци;

снижение прочностных характеристик грунта;

К легкорастворимым солям относятся: хлориды — NCI, СаСl2; сульфаты — Na2SO4 и карбонаты натрия — NaHCO3 и Na2CO3; к среднерастворимым — гипс CaSO4 · 2H2O и ангидрид CaSO4. Карбонаты растворяются трудно и медленно, поэтому особого влияния на свойства грунтов не оказывают, однако они могут способствовать созданию горизонтов агрессивных вод, которые разрушительно влияют на подземные конструкции зданий и сооружений.

Причинами, приводящими к засолению грунтов, являются:

недостаточное увлажнение в результате преобладания испарения над осадками;

наличие в грунтах или грунтовых водах повышенного количества солей;

малая проницаемость грунтов или наличие водоупорных прослоек;

техногенное воздействие на гидросферу застроенных или застраиваемых территорий;

фильтрация через грунты растворов химических веществ производственных отходов из накопителей, шламонакопителей, отвалов.

Засоленные глинистые грунты характеризуются относительным суффозионным сжатием εsƒ и начальным давлением суффозионного сжатия Psƒ.

Величина относительного суффозионного сжатия должна определяться, как правило, по данным испытаний засоленных фунтов с длительным замачиванием.

Значение εsƒ при компрессионно-фильтрационных испытаниях определяется по формуле

где hsat,p — высота образца после замачивания его до полного водонасыще-ния при некотором давлении Р;
hsƒ,p — высота того же образца после длительной фильтрации воды и выщелачивания солей при давлении Р;
hg — высота образца природной влажности при давлении от собственного веса.фунта на рассматриваемой глубине σzg.

При полевых испытаниях засоленных грунтов статической нагрузкой с длительным замачиванием значение εsƒ определяется по формуле

где Ssƒ,p — суффозионная осадка штампа при давлении Р;
dp — зона суффозионной осадки.

За начальное давление суффозионного сжатия Рsƒ принимается давление, При котором εsƒ= 0,01.

Маловлажные и сухие грунты при увлажнении резко изменяют свои деформационные, прочностные и фильтрационные свойства из-за выноса солей. В качестве примера на рис. 5.22 показано влияние изменения влажности засоленных грунтов и выщелачивания солей на модуль деформации.

Рис. 5.22. Зависимость модуля общей деформации засоленных глинистых грунтов от влажности (а) и выщелачивания солей (б)

Как видно из рис. 5.22, рассматриваемые грунты при естественной влажности (ω = 0,08) и природном содержании солей (d0 = 5,7%) имеют высокий модуль деформации. При увеличении влажности (см. рис. 5.22,а) или выщелачивании солей (см. рис. 5.22,6) снижение модуля деформации составляет 4—10 раз и более (по СБ. Ухову и др., 1994).

Выщелачивание водорастворимых соединений приводит к уменьшению плотности и устойчивости грунтов, а также к увеличению их водопроницаемости. Фильтрующая через грунт вода становится агрессивной по отношению к бетону, раствору и металлу.

Торфы и заторфованные грунты представляют собой грунты органогенного происхождения, образовавшиеся в болотах в результате накопления и разложения растительных остатков в условиях затрудненного доступа воздуха.

Специфическими особенностями заторфованных грунтов являются во-донасыщенность, большая сжимаемость, медленное протекание осадок во времени, анизотропия и изменчивость характеристик под нагрузкой.

К заторфованным относятся песчаные и глинистые грунты, содержащие в своем составе 10—50% (по массе) органических веществ. При содержании органических веществ 50% и более грунт называется торфом.

Поскольку биогенные слабые грунты (сапропели, заторфованные и торфяные) содержат значительное количество органического вещества J, % (или Jот, долях единицы), то их разделяют по этой составляющей (рис. 5.23). Как видно из рис. 5.23, влияние содержания органических веществ в грунте на изменение влажности существенно для нормальнозольных торфов.

Рис 5.23. Зависимость природной влажности от содержания органических веществ в слабых грунтах (по Л.С. Амаряну, 1990)

Так как сапропели (пресноводный ил) по содержанию органических веществ захватывают области как торфяных (J ≥ 50%), так и заторфованных грунтов (J< 50%), то их подразделяют на минеральный — 10 < J≤30%, среднеминеральный — 30 < J≤50% и слабоминеральный — J > 50%. Сапропели, как правило, имеют коэффициент пористости более 3, а показатель текучести более 1.

Различие в структуре и дисперсности твердой фазы слабых грунтов не позволяет по величине J оценить однозначно изменчивость их прочностных показателей.
На рис. 5.24 показаны изменения предельного сопротивления сдвигу т, определенные крыльчаткой в полевых условиях, в зависимости от J (по Л.С. Амаряну, 1990). Как видно из рис. 5.24, при одинаковых значениях прочность сапропелей и торфов по величине тотличается в 4—5 раз. Данные рис. 5.24 позволяют установить классификационные отличия между торфяными, заторфованными грунтами и сапропелями.

Рис. 5.24. Зависимость сопротивления сдвигу слабых органоминеральных фунтов от содержания органических веществ

Эти грунты имеют низкую прочность. Так, у сапропелей угол внутреннего трения φ близок к нулю, а удельное сцепление С в зависимости от степени уплотненности и минерализации находится в пределах 0—20 кПа. У погребенных торфов в зависимости от степени разложения эти характеристики составляют: φ = 10-22°; С = 10—30 кПа (по СБ. Ухову и др., 1994).

Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на немерзлые (талые), мерзлые и вечно-мерзлые.

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Если неминерализованная вода замерзает при 0 °С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры.

При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта.

Если наблюдать за образцом глинистого грунта (по Б.И. Далматову, 1988), помещенного в морозильную камеру, то при изменении температуры полученная кривая будет иметь четыре участка (рис. 5.25).

Первый участок аb соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Второй участок bc характеризует резкое повышение температуры грунта, что связано с кристаллизацией части воды в образце грунта до значения Тbƒ, соответствующего началу замерзания. Третий участок cd, параллельный оси времени t, характеризует резкий переход большей части воды в лед. На четвертом участке de происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего фунта, т.е в этот период замерзает вода, не замерзшая при значении Тbƒ.

В зависимости от вещественного состава и температурно-влажностны условий мерзлые фунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

Рис. 5.25. График процесса замерзания фунта во времени (по Б.И. Далматову, 1988)

К твердомерзлым относят грунты, характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузкой. Под действием нагрузок от сооружений такие фунты практически не сжимаются (модуль деформации Е > 100 МПа), так как сцементированы льдом.

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты с суммарной влажностью ωtot > 0,03, а также песчаные и глинистые, если их температура ниже значений, приведенных в табл. 5.8, при которых грунт переходит из пластичного в твердомерзлое состояние.

Таблица 5.8. Температура перехода грунта из пластичного в твердомерзлое состояние

Пластичномерзлыми являются грунты, сцементированные льдом, но имеющие вязкие свойства и характеризуемые сжимаемостью под нагрузкой. К ним относятся песчаные и пылевато-глинистые грунты с температурой, вышеуказанной в табл. 5.8. Они характеризуются достаточной сжимаемостью (Е < 100 МПа) и вязкими свойствами.

Сыпучемерзлые — это крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом вследствие малой их влажности. Суммарная влажность таких грунтов ωtot≤ 0,03. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры и близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии.

В связи с тем, что мерзлые грунты состоят из твердой минеральной части, пор, льда и незамерзающей воды, то дополнительно к характеристикам талых грунтов для мерзлых определяются:

суммарная влажность мерзлого грунта ωtot, которая слагается из влажности, обусловленной включениями льда ωi, и влажности между включениями льда ωm. Суммарную влажность выражают в долях единицы и определяют отношением массы всех видов содержащихся в нем воды и льда (в прослойках и порах) к массе скелета грунта.
Суммарная влажность определяется по формуле:
ωtot = ωi + ωm (5.38)

льдистость мерзлого грунта Ii— это отношение содержащихся в нем объема льда к объему мерзлого грунта (с включением льда) и определяется по формуле:

где ρi— плотность льда, принимается равной 0,9 г/см3.

Н.А. Цытович (1973) мерзлые грунты по льдистости подразделяет на три категории: сильнольдистые, слабольдистые и льдистые.

К сильнольдистым (льдистость более 50%) относятся суглинки и глины, переходящие при оттаивании в текучее, текучепластичное или мягко-пластичное состояние. Сильнольдистые грунты обладают малой несущей способностью в оттаявшем состоянии и большой сжимаемостью.

Слабольдистые (льдистостью менее 25%) суглинки и глины приобретают обычно тугопластичную или полутвердую консистенцию и обладают малой сжимаемостью.

Льдистые (льдистость 25—50%) грунты имеют свойства промежуточные между двумя выше приведенными категориями.
Количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах ωω, если отсутствуют опытные данные, допускается ориентировочно определять по формуле СниПа:

где кω — коэффициент, зависящий от числа пластичности Jp и температуры грунта (табл. 5.9);
ωр — влажность грунта на границе раскатывания.

Мерзлые грунты, как и глины, характеризуются не только вещественным составом, но и определенным строением, т.е. размером, формой, характером пространственного взаиморасположения составных частей. Для мерзлых грунтов различают следующие основные текстуры: слитную, слоистую и ячеистую.

Слитная (массивная) текстура (рис. 5.26,а) характеризуется отсутствием видимых невооруженным глазом ледяных тел (линз, прослоек и т.д.) в грунте. Грунты слитной текстуры в мерзлом состоянии обладают, как правило, высокой прочностью, а при оттаивании их прочностные свойства снижаются в меньшей степени, чем у грунтов со слоистой или ячеистой текстурами.

Рис. 5.26. Основные виды текстуры мерзлых грунтов: а — слитная (массивная); б — слоистая; в — ячеистая (сетчатая)

Слоистая текстура (см. рис. 5.26,б) возникает при одностороннем, медленном промерзании преимущественно глинистых грунтов, обладающих высокой влажностью. Грунты со слоистой текстурой обладают достаточно высокой прочностью, но при оттаивании их прочностные показатели резко падают.

Ячеистая (сетчатая) текстура (рис. 5.26,в) возникает в тех случаях, когда ледяные тела различного размера, формы и ориентировки образуют более или менее непрерывную сетку или решетку.

Из механических свойств мерзлых грунтов наибольшее значение имеют величина относительного сжатия εth при переходе мерзлого грунта в талое состояние и сопротивление сжатию (σсж).

Относительное сжатие определяют путем испытания грунта в компрессионном приборе и рассматривают по формуле

где hƒ и hth — высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

При оценке механических свойств расчетное сопротивление сжатию (σсж) засоленных мерзлых грунтов принимают по табл. 5.10, а сцепление (с) мерзлых грунтов ненарушенной структуры дано в табл. 5.11.

Таблица 5.10. Расчетные сопротивления сжатию засоленных мерзлых грунтов σсж> МПа

Таблица 5.11. Сцепление мерзлых грунтов ненарушенной структуры при мгновенном см и длительном сд действии нагрузки, МПа

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: