Глава 30

ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЛЕССОВЫХ ПОРОДАХ

Лессовые породы занимают большие площади территории Рос­сии, залегая на различных геоморфологических элементах земной поверхности.

Подстилаются лессовые толщи разнообразными по возрасту и литологии отложениями. В одних случаях подстилающие слои представлены водопроницаемыми породами (пески, галечники и т. п.), в других — водоупорными глинами.

Толщина лессовых отложений колеблется от нескольких до десятков метров, а в отдельных случаях даже более 100 м (Вос­точное Предкавказье). Наиболее распространенная мощность лес­совых отложений 10—25 м, максимальная встречается как на во­доразделах, так и в понижениях рельефа. В лессовых толщах всегда встречаются погребенные почвенные горизонты, разделяю­щие толщи на ярусы по возрасту.

Лессовые породы представлены суглинками, реже — супесями. Среди них различают лесс (первичное образование) и лессовидные суглинки (переотложенные первичные образования). Грануломет­рический состав их нередко бывает сходным, поэтому в строите­льном деле целесообразно пользоваться единым названием «лес­совые грунты», подразделяя их по гранулометрическому составу 422 на супеси, суглинки, глины. Для лессов типична однородность. Лессовидные суглинки обычно слоисты и могут содержать об­ломки различных пород.

Лессовые грунты бывают палевой, палево-желтой или жел­то-бурой окраски. Для них характерны следующие особенности: способность сохранять вертикальные откосы в сухом состоянии, быстро размокать в воде, высокая пылеватость (содержание фрак­ции 0,05—0,005 мм более 50 % при небольшом количестве глини­стых частиц), невысокая природная влажность (до 15—17 %); по­ристая структура (более 40 %) с сетью крупных и мелких пор, высокая карбонатность, засоление легководорастворимыми солями.

Природная влажность лессовых грунтов связана, в основном, с климатическими особенностями районов. В областях недоста­точного увлажнения влажность составляет не более 10—12 % (Восточное Предкавказье и др.). В более влажных районах она достигает 12—14 % и более. Для лессовых толщ характерна ани­зотропность фильтрационных свойств. Водопроницаемость лессо­вых пород по вертикали нередко в 5—10 раз превышает значения водопроницаемости по горизонтали. При поступлении воды в лессовые толщи образуются скопления верховодок (или грунто­вых вод) куполообразного залегания. Такая форма подземных вод в настоящее время свойственна многим участкам, где постоянно происходят утечки промышленно-бытовых вод (Ростов-на-Дону, Таганрог и др.).

В лессовых толщах природная влажность распределяется до­вольно закономерно. У поверхности располагается зона сезонных колебаний влажности, ниже — зона относительно постоянной влажности и далее влажность изменяется в сторону увеличения или уменьшения, что зависит от характера подстилающих пород. При водоупорах природная влажность нарастает и переходит в грунтовую воду. При водопроницаемых породах природная влаж­ность изменяется мало или даже с глубиной понижается.

Изменение влажности лессовых грунтов по сезонам года серь­езно сказывается на основных строительных свойствах — сжимае­мости, просадочности и сопротивлении сдвигу.

Среди лессовых пород по характеру влияния на них увлажне­ния различают: набухающие, непросадочные, просадочные.

Набухающие лессовые породы встречаются редко. Обычно эти плотные и наиболее глинистые разновидности с содержанием в составе фракции менее 0,005 мм гидрофильных минералов типа монтмориллонита. Величина набухания структурных образований достигает 1—3%, реже—5—7%.

Непросадочные лессовые породы при замачивании и приложе­нии нагрузок просадочных свойств не проявляют. Такие породы

свойственны пониженным частям рельефа и наиболее северным районам распространения лессовых отложений. Непросадочными также являются нижние части лессовых толщ и участки, ранее претерпевшие значительное обводнение.

Просадочность — явление, характерное для многих лессовых пород. На рис. 165 показан наиболее характерный случай геоло­гического строения лессовой толщи, в верхней части которой за­легают грунты, обладающие просадочными свойствами. Просадка связана с воздействием воды на структуру пород с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самой породы или при суммарном давлении собственного веса и веса объекта. Уплотне­ние пород приводит к опусканию поверхности земли в местах за­мачивания водой. Форма опускания зависит от особенностей ис­точника замачивания. При точечных источниках (прорыв водопроводной сети, канализации и т. д.) образуются блюдцеоб­разные понижения. Инфильтрация воды через траншеи и каналы приводит к продольным оседаниям поверхности. Площадные ис­точники замачивания, в том числе и при поднятии уровня под­земных вод, приводят к понижению поверхности на значитель­ных территориях.

Вследствие опускания поверхности земли здания и сооружения претерпевают деформации, характер и размер которых определяет­ся величинами просадок S_np (рис. 166, 167). Величина оседания поверхности (величина просадки) может быть различной и колеб­лется от нескольких до десятков сантиметров, что зависит от осо­бенностей замачивания толщи. Например, в г. Ростове-на-Дону просадка может составить 15—20 см, а в районе Терско-Кумской оросительной системы на Северном Кавказе — 100—150 см.

Структура лессовых пород по своей прочности неодинакова. В одних случаях она разрушается после водонасыщения и при одно-

Р и с. 165. Строение лессовой толщи:

1 — здание; 2 — породы просадочные; J —то же, непросадочные; 4 — грун­товая вода; 5— глина (водоупор); 6 — участок, где проявилась просад­ка; 7—деформируемая часть здания

Рис. 166. Деформация здания от просадки в лессовой породе основания

временном приложении к ней нагрузки от объекта. Такие по­роды относят к I типу по проса­дочности, другие лессовые поро­ды разрушаются уже при водона- сьпцении только под собствен­ным весом. Это породы II типа по просадочности (рис. 168).

В лессовых толщах проса- дочными свойствами обладает только их верхняя часть. Мощ­ность слоя просадочных пород H_SL колеблется от 1 до 30 м (иногда больше). Для пород / типа эта величина в основном составляет 8—10 м.

Просадочные породы до глу­бины 10—25 м типичны для II типа. Они встречаются в Вос­точном Предкавказье. Проса­дочные свойства с глубиной снижаются и постепенно переходят в непросадочные.

Важное значение в проявлении просадочного процесса имеет структурная прочность лессовых грунтов. При слабых и легково­дорастворимых структурных связях просадка возникает через не­сколько часов, что характерно для грунтов / типа. Структуры грунтов I типа обычно более прочные. Кроме длительного, в те­чение ряда дней, воздействия водой для их разрушения необхо­димо более высокое давление (собственный вес грунта и вес зда­ния, стоящего на нем). Из этого следует, что просадочный процесс возникает лишь при некотором для данного грунта дав- ленйи. Это давление назвали «начальным просадочным давлени­ем» P_Sl- Для пород / типа оно составляет 0,13—0,2 МПа, для II

Рис. 167. Деформация здания (схема) на лессовых породах в результате просадки:

1. — здание; 2 — лессовая порода; Jnp — величина просадки

Рис. 168. Соотношение мощности просадочных и непросадочных пород в лессовых толщах / и II типов:

П — просадочные породы;

Н — непросадочные породы

типа — 0,08—0,12 МПа. Значение начального просадочного дав­ления определяет деформируемые зоны в лессовой просадочной толще. В этих зонах происходит просадочное уплотнение пород. На рис. 169 показано, где образуются деформируемые зоны в по­родах / и II типов.

В первом случае просадочная деформация возникает под фун­даментом в зоне 1. Во втором случае, кроме зоны 1, просадка возникает еще в зоне 3, где она проявляется под действием соб­ственного веса породы. В ряде случаев зона 2 вообще отсутству­ет, и зона 1 сливается с зоной 3.

За количественную характеристику просадочности принимают величину относительной просадочности породы E_SL, которую определяют в лаборатории по отдельным образцам, взятым из лессовой толщи. Образцы отбирают через 1 м или из различных слоев породы с сохранением структуры и природной влажности. Величины E_sl получают по результатам лабораторных компресси­онных испытаний

E_Sl =Л, -hj/ho,

где ^ — высота образца при принятом давлении; h) — высота об­разца в замоченном состоянии при том же давлении; h₀ — высота образца при давлении, равном природному. При значениях Ди,>0,01 породу относят к просадочной. По величине E_SL от­дельных образцов определяют общую величину просадки S_np дан­ной лессовой толщи.

В полевых условиях величину 5_пр определяют методом штампа, который размещают на глубине подошвы будущего фундамента и передают на него необходимое давление и замачивают породу. Та­кого типа определения дают наиболее точные результаты.

П

II тип

"{

Рис. 169. Деформационные зоны в просадочных породах I к II типов:

Ф — фундамент; 1 — верхняя де­формируемая зона; 2— переходная зона; 3 — нижняя деформируемая зона; П — породы просадочные;

Н — то же, непросадочные

Тип грунтовых условий (/ или 1Г) устанавливают на основе лабораторных испытаний по расчетной величине Дщ,, но более точные результаты можно получить лишь в полевых условиях пу­тем замачивания лессовых толщ в опытных котлованах и наблю­дением за просадкой по реперам (рис. 170).

При определении величины просадочной деформации породы не следует забывать об осадке. Под весом сооружения грунт не­сколько уплотняется, происходит осадка сооружения. Величина осадки в значительной степени зависит от природной влажности грунта — чем больше влажность грунта, тем больше он сжимается и тем больше величина осадки. Просадка проявляется уже как дополнительное к осадке уплотнение. Таким образом, деформа­ция породы складывается из «осадки — просадки». Для конкрет­ных условий эта величина обычно постоянная. Соотношение между осадкой и просадкой может меняться. В более сухих грун­тах осадка будет уменьшаться, а просадка возрастать, и наоборот.

Строительство на лессовых просадочных породах. В состоянии природной влажности и ненарушенной структуры лессовые поро­ды являются достаточно устойчивым основанием. Однако если

существует потенциальная возможность проявления просадки и это приводит к деформациям зданий и сооружений, требуется осуществление различного рода мероприятий.

В настоящее время применяют комплекс методов. Это связа­но с многообразием свойств лессовых грунтов. Ни один из мето­дов не может считаться универсальным. Современные способы строительства на лессовых породах позволяют успешно противо­действовать возникновению просадочных явлений, особенно в породах / типа. Наибольший эффект борьбы с просадочностыо достигается при комбинировании 2—3 различных мероприятий.

Выбор мероприятий производят на основе технико-экономи­ческого анализа, в число факторов которого входят:

• тип просадочности;

• мощность просадочных пород и величина просадки;

• конструктивные особенности зданий и сооружений.

Все методы подразделяют на три группы: 1) водозащитные; 2) конструктивные; 3) устраняющие просадочные свойства пород.

Водозащитные мероприятия предусматривают планировку строительных площадок для отвода поверхностных вод, гидроизо­ляцию поверхности земли, предохранение зданий от утечек воды из водопроводов, устройство водонепроницаемых полов, покры­

тий, отмосток и т.д.

/

/

Рис. 171. Трамбование просадочной лессовой породы на стройплощадке в Ростове-на-Дону

Конструктивные мероприя­тия рассчитаны на приспособ­ление объектов к возможным неравномерным осадкам, по­вышение жесткости стен и прочности стыков, армирова­ние зданий поясами, примене­ние свайных, а также уширен­ных фундаментов, передающих давление на грунт меньше, чем P_Sl- Маломощные просадочные грунты (Иsi) прорезаются глу­бокими фундаментами, в том числе свайными.

Наибольшее число методов связано с устранением проса­дочных свойств. Их подразде­ляют на две группы:

• улучшение пород с приме­нением механических методов;

• физико-химические спо­собы улучшения.

Механические методы преобразуют породы либо с поверхно­сти, либо в глубине толщ. Поверхностное уплотнение производят трамбовкой (рис. 171), замачиванием под своим весом или весом сооружения. В глубине толщ уплотнение производят с помощью грунтовых свай (песчаных, известняковых), взрывов в скважинах, замачиванием через скважины с последующим взрывом под во­дой и т. д. Находят применение также песчаные и грунтовые по­душки, грунто-цементные опоры.

К физико-химическим способам относят: обжиг грунтов через скважины, силикатизацию, пропитку цементными и глинистыми растворами, обработку различными солями, укрепление органи­ческими веществами (битум, смолы и др.).

Г л а в а 31