11. Просадочные явления в лессовых породах

Лессы выделяются в качестве самостоятельного петрографич типа континентальных отложений. Они обладают весьма характерными генетическими и инженерно-геологич признаками и св-ми: 1) широким распространением и залеганием в виде покровных толщ; 2) макропористостью и высокой пылеватостью; 3) содержанием преимущественно карбонатных и сульфатных солей; 4) легкой размокаемостью и склонностью к просадкам. Эти отличительные особенности лессовых пород связаны с условиями их образования и последующими изменениями при дианезе.

По современным представлениям основные типы лессовых пород формируются в условиях недостаточного увлажнения. При этом гене­тич особенности формирования и накопления пылеватых лессо­вых осадков обуславливают степень выраженности вышеуказанных характерных признаков и св-в. Эти признаки проявляют себя наи­более отчетливо при образовании лессов эоловым путем. Если основ­ная часть разреза сформирована из осадков делювиального и пролювиального происхождения, характерные признаки и свойства лессовых отложений выражены менее резко, а при преобладании осадков аллю­виального происхождения — они проявляют себя еще слабее.

На территории России лессовые породы распространены очень широко, образуя прерьгеистый покров мощностью до 10 м, представленный в основном делювиальными, озерно-аллювиальными и реже элювиальными образованиями. В центральных и южных частях Русской равнины, до берегов Черного моря и северных границ Прикаспийской низменности, лессы преимущественно эолового происхождения мощностью от 30 до 80 м, а в районах Восточного Предкавказья — до 100 м. В азиатской части России мощностью до 25 м. Помимо указанных регионов России лессовые породы широко представлены в Северной и Южной Америке, Центральной и Южной Азии (Китай, Монголия, Индия и др.), Западной и Центральной Европе (Германия, Франция, Польша, Венгрия и др.), а также на территории других континентов и стран. в стратиграфическом отношении лессы почти повсеместно имеют голоценовый возраст и значительно реже встречаются верхне- и среднеплейстоценовые отложения.

В составе лессовых пород различных районов преобладают лег­кие и средние суглинки с содержанием пылеватых частиц от 50 до 80%. Содержание тонко- и мелкозернистых песчаных фракций обычно не превышает 20 %. Как уже отмечалось, подобные суглин­ки обычно образуют единую сплошную толщу, разделение кот на отдельные слои и горизонты нередко представляет значительную трудность. Хотя слоистость лессовых толщ выражена слабо, но направленные изменения с глубиной гранулометрического состава, текстуры и структуры пород иногда позволяют выделить в их строе­нии отдельные зоны и горизонты.

Макропористость лессов служит их основным весьма характерным текстурным признаком. Макропоры в форме трубочек вер­тикально пронизывают лессовую породу, и на горизонтальном ее срезе в 1 см² насчитывается обычно от 3 до 25 таких пор диаметром от 0,1 до 3 мм. Максимальное их количество наблюдается в зоне аэрации, и с глубиной их число постепенно уменьшается. В связи с этим в естественных обнажениях лессовые породы имеют хорошо выраженную столбчатую отдельность. Выше отмечалось, что в со­ставе лессов преобладают пылеватые или алевритовые частицы (0,05-0,002 мм) с примесью глинистых, поэтому эти породы имеют типичную алевритовую и алевропелитовую структуру. В составе алевритовых и особенно псаммитовых фракций преобладают первичные реликтовые минералы, среди которых основное место занимает кварц (40-90 %), затем полевые шпаты, карбонаты и др. При этом лессовые породы обладают высокой карбонатностью. Так, содержание извести в лессах на Русской равнине изменяется от долей процента до 25 %. В минеральном составе тонкодисперсных фракций (<0,002 мм) основную роль играет смесь типичных глинисты минералов (гидрослюд, монтмориллонита, каолинита).

По физико-механическим свойствам лессовые породы значительно отличаются от других разновидностей существенно глинистых пород континентального происхождения. Удельный вес лесов составляет 2,75-2,81 г/см^З, естественная влажность обычно не превышает 25 %, а пористость достигает 50 % и выше, что свидетельствует о том, что лессовые суглинки имеют пониженную плотность и явно недоуплотнены в естественном состоянии. Плотность сложения, которая в конечном итоге определяет склонность лессовых пород к деформациям, оценивается также коэффициентом макропористости е_m - отношением объема макропор к объему скелета породы, изменяющимся от 0,03 до 0,40.

В связи с преобладанием пылеватых фракций пределы текучести и пластичности лессовых пород обычно пониженные по сравнению с типичными глинами. Однако при увлажнении лессы могут переходить в текучее состояние. По своей природе лессовые породы крайне водонеустойчивы и очень легко и быстро размокают. В лабораторных условиях скорость их размокания может измеряться минутами. При этом они распадаются на мельчайшие частицы и агрегаты, т. е. происходит их полное разрушение. Водопроницаемость лессов в значительной степени зависит от степени их увлажнения. При естественной влажности коэффициент фильтрации Кф лессов изменяется от нескольких метров до долей метра в сутки. Типичные лессы существенно анизотропны, и их водопроницаемость в вертикальном направлении (ориентировка макропор) в несколько раз выше, чем в горизонтальном. При увлажнении за счет постоянных или временных утечек из водных объектов или коммуникаций водопро­ницаемость лессов уменьшается во времени в несколько раз. Такое существенное изменение связано с размоканием, оплыванием стенок и закупоркой части макропор лессовых пород.

Лессовые породы при их естественной влажности и плотности являются слабосжимаемыми породами: модуль общей деформации, несмотря на высокую общую пористость, измеряется сотнями кило­граммов на квадратный сантиметр. Однако при увлажнении выше естественной влажности податливость лессов деформациям резко возрастает, и они становятся слабыми породами. Модуль общей де­формации измеряется в этом случае десятками килограммов на квадратный сантиметр. Прочность и сопротивление сдвигу лессовых пород также в значительной степени зависят от их влажности и плотности. При умеренной влажности лессы в естественных обна­жениях держат вертикальные откосы высотой до 5 м. При повыше­нии влажности лессы в обнажениях быстро оплывают, прочность их структурных связей резко снижается и сопротивление сдвигу стре­мится к нулю.

Оценка просадочности лессовых пород. Деформации в лессо­вых породах приводят к просадочным явлениям, которые обычно хорошо выражены в рельефе в виде плоских понижений, западин и воронок, развитых на значительных площадях. Воронки часто име­ют крутые склоны и округлую форму, диаметром до 50 м и глубиной до 3 м.

Просадочность лессовых пород зависит от их влажности и макропористости, поэтому для оценки потенциальной предрасположен­ности различных генетических типов этих пород к просадкам обычно определяют величину относительной их деформации от действия одного лишь замачивания (при постоянной внешней нагрузке), которую называют коэффициентом относительной просадочности a_m. При а_m>0,02 порода обладает просадочными свойствами, если a_m<0,02, то просадки при замачивании несущественны и сложение породы устойчивое. Следует отметить, что значения коэффициента относительной просадочности а_m и связанного с ним коэффициента макропористости e_m зависят от величины внешнего удельного давления и часто достигают максимума в интервале внешней нагрузки 2,0-4,0 кГ/см².

В полевых условиях и на строительных площадках просадочность лессов часто определяют в шурфах методом пробных нагрузок при замачивании. Показателем просадочности всей толщи в основа­нии сооружения Sпр в этом случае будет сумма величин просадки каждого литологического типа породы от замачивания с учетом просадки его только от внешней нагрузки. Разработана следующая классификация макропористых лессов по величине показателя просадочности: Sпр<15 см — лессы практически устойчивы при замачивании — I категория пород; 15 см < Sпр < 50 см — лессы малопросадочные при замачивании — II кате­гория пород; 50 см < Sпр < 100 см — лессы сильнопросадочные при замачивании — Ш категория пород. Определение категории лессов по величине их просадочности позволит оценивать степень опасно­сти замачивания пород в основании сооружений и рекомендовать инженерные меро­приятия для обеспечения их устойчивости.

Среди основных мероприятий, обеспечивающих прочность и устойчивость лессовых пород в основании и возможность надежной эксплуатации зданий и сооружений, следует отметить: 1) предохранение лессовых пород от замачивании; 2) снижение или устранение просадочных свойств лессов; 3) применение глубоких фундаментов (до пород другого состава и свойств); 4) строительство зданий и сооружений, малочувствительных к неравномерным просадкам.

Для предохранения лессовых пород от замачивания часто применяют: а) планировку территории, ее надежное дренирование и отвод дождевых и талых вод; б) созданиие эффективных противоинфильтрационных покрытий и завес; в) прокладку противонесущих коммуникаций в непроницаемых лотках: г) автономную компоновку зданий и сооружений, которая исключает влияние возможных утечек из них на устойчивость соседних объектов.

Для снижения или полного устранения просадочных свойств лессов обычно использу­ют: а) предварительное замачивание и доуплотнение лессов на строительной площадке; б) улучшение и закрепление несущей спо­собности пород физико-химическими методами; в) частичную или полную замену просадочных лессов на более надежные грунты.