3.4. Основные физико-механические свойства структурно-неустойчивых и некоторых особых грунтов

К структурно-неустойчивым грунтам относятся:

• - лессовые, структура которых нарушается при замачивании их под приложенной нагрузкой и от собственного веса или только от собственного веса; они имеют относительную деформацию просадочности е„ > 0,01;

• мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании;

• рыхлые пески, резко уплотняющиеся при динамических воздействиях;

илы и чувствительные глины, деформационные и просадочные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры; они имеют свойства современного осадка преимущественно морских акваторий, содержащего органическое вещество в виде растительных осадков и гумуса. Верхний слой ила имеет коэффициент пористости е>0,9, текучую консистенцию J_L>1, содержание частиц меньше 0,01 мм составляет 30-50% по массе.

К особым грунтам относятся: сапропель - пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов, содержит более 10% по массе органических веществ. Сапропель имеет коэффициент пористости е>3, текучую консистенцию J_L>1, высокую дисперсность, частицы крупнее 0,25 мм обычно не превышают 5% по массе.

Торф - органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений, содержание органических веществ 50% и более по массе, обладает очень большой сжимаемостью и малой прочностью.

Грунт заторфованный - песок и глинистый грунт, содержащий от 10 до 50% торфа по массе.

К особым грунтам относятся также набухающие грунты, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой.

Лессовые просадочные грунты

Просадочными фунтами 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 фунта поверхностных вод - производственных, бытовых или атмосферных. Особенно значительное обводнение территорий наблюдается в зоне деятельности металлургических предприятий (Запорож-сталь, Кузнецкий комбинат, Никопольский комбинат), а также в ирригационных сооружениях. В некоторых случаях замачивание грунта основания было вызвано поднятием уровня фунтовых 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 фунтов на Дону и Кубани, в Среднем и Нижнем Поволжье, в районах Западной Сибири, Забайкалья. Встречаются лессовые просадочные фунты и на Урале, в том числе в Перми.

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

Важнейшими признаками фунтов, обладающих склонностью к проса-дочным 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 фунта с развитой растительностью оказались перекрытыми слоями более позднего возраста, в которых в свою очередь развивались те же процессы; в случаях макропоры представляют собой результат действия процессов выщелачивания (элювиальные фунты).

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

4. Малая природная влажность фунтов, 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 фунтов просадочных свойств.

Просадочность фунта оценивают относительной просадочностью , 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)

где h_nf - высота образца грунта природной влажности при давлении на данной глубине после возведения сооружения, - высота образца после просадки от замачивания - высота образца при природном давлении на данной глубине z.

Грунт считается просадочным при Серия опытов с замачиванием образцов при различных давлениях позволяет построить график зависимости коэффициента относительной просадочности от давления (рис.2.30,6). По графику можно оценить начальное просадочное давление Р₅/, при котором = 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 фунта (просадка).

Лабораторные определения основных характеристик просадочных грунтов подтверждают однородность зернового состава (обычно 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. фунты заведомо не будут просадочными даже при наличии всех вышеописанных признаков.

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

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

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

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