Ющубе_КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по МЕХАНИКИ ГРУНТОВ ТГАСУ

хого климата. Причем образование структурных связей шло быстрее, чем уплотнение (консолидация) грунта под действием собственного веса. Поэтому толщи лессов относятся к рыхлым образованиям. Характерной особенностью этих грунтов является наличие крупных пор, видимых невооруженным глазом. Объем пор

втаких грунтах может достигать 50 и даже 60 % от общего объема,

всвязи с чем их нередко называют макропористыми. Макропоры образуют вертикальные каналы, что обусловливает значительно большую водопроницаемость лессовых грунтов в вертикальном направлении, чем в горизонтальном.

Вприродном залегании просадочные грунты маловлажные. Структурные связи между частицами представлены коллоидными пленками и цементом водно-растворимых солей. В результате замачивания структурные связи нарушаются, и просадочный грунт начинает под действием собственного веса и (или) внешней нагрузки уплотняться. При этом наблюдается значительное и, как правило, неравномерное понижение поверхности грунта (просадка), достигающая в некоторых случаях 1,5 и более метров.

Просадочность грунта оценивается его вертикальной деформацией при замачивании. Относительная просадочность грунта

влабораторных условиях определяется на приборах компрессионного сжатия. Образец грунта природной ненарушенной структуры помещается в кольцо компрессионного прибора (рис. 11.1). На штамп компрессионного прибора прикладывается ступенчатая возрастающая нагрузка N, создающая в образце грунта давление P, соответствующее давлению от собственного веса грунта и нагрузки от фундамента.

Под этим давлением, как правило, наблюдаются незначительные осадки грунта, что свидетельствует о достаточно высокой прочности его структуры. Затем, при определенном давлении,

вгрунт через перфорированный штамп подается вода. В результате замачивания в грунте разрушаются структурные водорастворимые связи, и происходит быстрая осадка штампа, полностью исчезают макропоры, и грунт значительно уплотняется. Если по результатам

131

испытаний построить компрессионную кривую, то на ней четко отмечается вертикальный просадочный участок (рис. 11.2).

Рис. 11.1. Схема испытания в компрессионном приборе на просадочность

Рис. 11.2. Компрессионная кривая испытания просадочного грунта

Относительная просадочность по результатам компрессионных испытаний определяется по формуле

где hp – высота образца грунта природной влажности, обжатого давлением p, равным давлению от собственного веса грунта и нагрузки от фундамента или только от собственного веса грунта в зависимости от вида рассчитываемых деформаций; hsl – высота того же образца при этом же давлении p после замачивания; hq – высота того же образца грунта природной влажности, обжатого давлением, равным давлению от собственного веса грунта.

132

Если относительную просадочность выразить через соответствующие коэффициенты пористости (рис. 11.2), то формула для ее определения будет иметь вид

Грунт считается просадочным, если относительная просадочность его sl > 0,01, т. е. метровая толщина грунта при замачивании дает дополнительную просадку > 1 см.

Просадочность грунта по глубине может существенно изменяться, поэтому для ее оценки отбирают образцы грунта для испытаний с интервалом через 1 или 2 м по глубине. Для ответственных зданий и сооружений, возводящихся на больших толщах просадочных грунтов, просадочность оценивается по результатам натурных испытаний при замачивании грунтов из опытных котлованов. Размеры опытных котлованов в плане должны приниматься больше или равными толщине просадочного грунта.

Следует отметить, что в результате замачивания развивается не только просадка, но и происходит уменьшение прочностных характеристик замоченных грунтов. Если угол внутреннего трения в большинстве случаев уменьшается незначительно, то удельное сцепление уменьшается до 10 раз (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Графики сопротивления просадочного грунта сдвигу:

1 – в состоянии природной влажности; 2 – в состоянии полного водонасыщения

133

Учитывая это обстоятельство, проектирование оснований и фундаментов на просадочных грунтах необходимо вести с использованием характеристик, полученных при полном водонасыщении этих грунтов. Применение характеристик, соответствующих природной влажности, допустимо лишь в тех случаях, если замачивание оснований в процессе строительства и эксплуатации зданий или сооружений полностью исключено.

11.2. Мерзлые и многолетнемерзлые грунты

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, часть поровой воды в которых находится в замерзшем состоянии в виде кристаллов льда. При температуре 0 С замерзает только свободная неминерализованная вода, связанная и минерализованная вода замерзает при более низких температурах.

Обычно грунты, промерзающие зимой, летом оттаивают. Однако во многих районах севера и севера-востока нашей страны среднегодовая температура воздуха ниже 0 С. Поэтому грунт, промерзающий зимой, не успевает оттаять летом. Это приводит к накоплению мерзлого грунта под деятельным слоем (слоем сезонного промерзания и оттаивания). Основная же часть многолетнемерзлых грунтов образовалась в период оледенения Земли. Таким образом, к многолетнемерзлым грунтам относятся грунты, находящиеся в мерзлом состоянии более трех лет.

Слой грунта, попеременно оттаивающий и промерзающий, называют слоем сезонного оттаивания, если под ним находится слой многолетнемерзлого грунта, и слоем сезонного промерзания, если под ним находится слой талого грунта.

Мерзлые и многолетнемерзлые грунты из-за наличия в их составе льда (льдоцементных связей) имеют высокую прочность и низкую деформируемость по сравнению с такими же дисперсными грунтами в талом состоянии. Однако прочностные и деформационные характеристики мерзлых и многолетнемерзлых грун-

134

тов очень сильно зависят от их температуры. При повышении температуры и оттаивании льда льдоцементные связи лавинно разрушаются, и в них возникают значительные деформации. При этом некоторые грунты могут переходить в разжиженное состояние, особенно это касается сильнольдистых глинистых грунтов.

В нашей стране выделяют пять зон многолетнемерзлых грунтов в зависимости от их среднегодовой температуры и вида залегания. Средняя температура грунтов первой зоны составляет 0…–1,0 С, многолетнемерзлые грунты имеют островное залегание, а их мощность достигает 30–40 м. Многолетнемерзлые грунты, относящиеся к первой зоне, широко распространены, например, в Иркутской области и Забайкальском крае. К пятой зоне относятся многолетнемерзлые грунты, имеющие сплошное залегание, среднюю температуру –5…–10 С, а их мощность может достигать 400–600 м. В нашей стране такие грунты встречаются, например, в Якутии и вдоль Арктического побережья.

В природе имеют место различные формы залегания многолетнемерзлых грунтов. Наиболее характерные приведены на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схемы расположения слоев грунта:

1 – деятельный слой; 2 – перелеток (слой мерзлоты, оттаивающий в наиболее теплые годы); 3 – талый грунт; 4 – вечномерзлый грунт; 5 – слой талого грунта, не промерзающий зимой

В зависимости от температуры грунты также подразделяются на твердомерзлые и пластично-мерзлые. Температура грун-

135

тов Tsg, при которой они переходят из пластичного в твердое состояние, различная и зависит от их гранулометрического состава. Для крупнообломочных Tsg = 0 С, а для глин Tsg = –1,5 С.

Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом. При быстром приложении нагрузки они хрупко разрушаются, как скальные породы. Эти грунты практически несжимаемые и имеют модуль деформации Е0 > 100 МПа.

Пластично-мерзлые грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами, характеризуются достаточно большой сжимаемостью и имеют модуль деформации Е0 < 100 МПа. Температура этих грунтов колеблется от температуры начала замерзания Tвf до температуры перехода в твердомерзлое состояние Tsg.

В отдельную группу выделяют сыпучемерзлые грунты. Это грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К таким грунтам относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные с суммарной влажностью Wtot 0,03 %.

Сопротивление мерзлых грунтов различным видам загружения зависит от многих факторов, в том числе от продолжительности воздействия и температуры. Чем продолжительнее действует постоянная нагрузка, тем меньше прочность мерзлого грунта. При оценке грунтов в основании зданий и сооружений исходят из длительной прочности.

Ещё одно явление, которое часто встречается в мерзлых грунтах, – это морозное пучение. Под морозным пучением понимается увеличение объема грунта при его промерзании. Известно, что вода при замерзании увеличивается в объеме приблизительно на 9 %. Если предположить, что вся вода в грунте замерзнет (что не имеет место в природе), то в этом случае увеличение его объема не должно превышать 3–4 %. Однако натурные наблюдения показывают, что объем грунта при промерзании увеличивается иногда на 50 и даже 100 %. Такое увеличение объема связано с резким повышением влажности грунта в результате притока (миграции) влаги из нижних слоев грунта к фронту промерзания и образования в нем линз льда.

136

Наибольшему пучению подвержены глинистые грунты, пылеватые и мелкие пески. Однако даже в крупнозернистых песках при наличии уровня подземных вод в пределах зоны промерзания возможно образование прослоек льда и, как следствие, их пучение.

Если в процессе промерзания грунт испытывал пучение, то при его оттаивании неизбежна просадка. Поэтому многие мерзлые грунты при оттаивании получают просадку и резко уменьшаются в объеме. Просадочность мерзлого грунта оценивается относительной деформацией при его оттаивании под нагрузкой и определяется в специально оборудованном компрессионном приборе, имеющем стенки и днище из нетеплопроводного материала. Мерзлый грунт помещают в прибор и загружают до определенной нагрузки при отрицательной температуре. После затухания деформаций штамп подогревают до полного оттаивания образца. Затем прикладывают несколько ступеней нагрузки для определения сжимаемости грунта после оттаивания. По результатам опыта строят кривую (рис. 11.5).

Рис. 11.5. График зависимости относительных деформаций от давлений при испытании мерзлого грунта с оттаиванием в компрессионном приборе

Коэффициент просадочности th определяют по формуле

137

где hf и hth – высота образца соответственно в мерзлом и талом состоянии при неизменном давлении.

Коэффициент просадочности используется при расчете осадки здания или сооружения в случае, если оттаивание грунта в основании фундаментов возможно.

11.3. Рыхлые пески

Природная структура рыхлых песков нарушается при динамических воздействиях. Если рыхлый песок поместить в компрессионный прибор и приложить к нему статическую нагрузку, то он начнет уплотняться. Дополнительные динамические нагрузки (вибрации, сотрясения) нарушают природную структуру, и происходит резкое уплотнение песка.

Компрессионная кривая рыхлого песка аналогична кривой просадочного грунта (см. рис. 11.2), только здесь дополнительным фактором является не вода, а вибрация.

Характерной особенностью рыхлого водонасыщенного песка является способность переходить в разжиженное состояние под действием динамической нагрузки.

11.4. Слабые водонасыщенные глинистые грунты

К слабым водонасыщенным глинистым грунтам относятся такие грунты, как илы, сапропели, ленточные глины, водонасыщенные лессовые грунты и другие, аналогичные им. Отличительной особенностью всех слабых водонасыщенных глинистых грунтов является их относительно высокая пористость и водонасыщенность, а также низкая прочность и высокая деформируемость.

Илы и сапропели. Илами и сапропелями (пресноводный ил) называют современные осадки водоемов, образовавшиеся под воздействием микробиологических процессов. Илы имеют высокую пористость (e 0,9) и влажность (w > wL).

138

От других слабых глинистых грунтов илы отличаются большим содержанием органических остатков, которые могут достигать 10 % от общего объема грунта. По гранулометрическому составу илы состоят из пылеватых и глинистых частиц. Другие же фракции практически отсутствуют. Мощность илов может достигать 10 м. С увеличением глубины илы часто переходят в водонасыщенные глинистые грунты вследствие разложения со временем органических остатков.

При нарушении природной структуры они резко меняют свои прочностные и деформационные характеристики.

Показателем структурности грунтов служит индекс чувствительности

где 1 и 2 – предельное сопротивление грунта сдвигу соответственно при ненарушенной и нарушенной структурах.

Для некоторых очень чувствительных глин этот показатель достигает восьми и более.

Ленточные глины. Ленточными глинами называют грунты, состоящие из прослоев песка, супеси, суглинка и глины толщиной от нескольких сантиметров и менее, залегающих практически горизонтально и параллельно относительно друг друга. Общая мощность таких прослоев может достигать 10 м и более.

Образование ленточных глин связывают с процессами таяния ледников на территории Русской равнины в период её оледенения. Так, интенсивное таяния льда в летний период приводило к вымыванию пылеватых и песчаных частиц, а при снижении интенсивности таяния в осенний период – к вымыванию только более мелких глинистых частиц, тем самым определяя слоистость этих грунтов.

Одними из особенностей ленточных глин являются высокая анизотропия их свойств и существенные отличия в водопроницаемости в горизонтальном и вертикальном направлениях, которая отличается в 2–3 раза. Коэффициент пористости e ленточных глин может достигать 1,0, а влажность w – 80 %.

139

11.5. Набухающие грунты

Вотличие от просадочных некоторые глинистые грунты при замачивании набухают, т. е. увеличиваются в объеме. Наиболее подвержены набуханию глинистые грунты, в состав которых входят минералы монтмориллонита, каолинита и гидрослюды. При взаимодействии с водой вокруг минеральных частиц образуются гидратные оболочки, что приводит к увеличению расстояния между частицами грунта и, как следствие, к увеличению его объема. При уменьшении влажности наблюдается обратный процесс, сопровождающийся уменьшением объема грунта. Следует отметить, что часть глинистых грунтов проявляет свойства набухающих только при их замачивании растворами солей, представляющими собой отходы химических производств. В этом случае говорят о химическом набухании.

Вприродном состоянии набухающие грунты имеют низкую влажность (w < wp) и высокие значения числа пластичности Ip

ивлажности на границе текучести wL.

При испытании набухающего грунта в компрессионном приборе с замачиванием компрессионная кривая будет иметь вид, представленный на рис. 11.6.

140