Литература по Основам грунтоведения / Ухов_Механика Грунтов_учебник

Слои мощностью менее 0,5 м, как правило, не выделяются. Их необходимо выделять только в тех случаях, когда такой маломощный слой сложен породой с резко отличными инженерно-геологи- ческими свойствами. Например, выделяется песчаный водопроводящий слой среди суглинка или слой слабого глинистого грунта среди водонасыщенных песков и т. п.

Очень тонкое однородное геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися поверхностями, называют прослоем (5 на рис. 2.3).

В расчетной схеме прослой часто моделируют поверхностью, в простейшем случае — плоскостью. Правильное изображение прослоев имеет исключительно большое значение, например, при прогнозе устойчивости склонов и при расчете фильтрации.

Жила — это внутренне однородное геологическое тело, протяженное и пересекающее слои.

Жилы обычно располагаются вертикально или наклонно. Жилы и подобные им более мощные тела (дайки) встречаются обычно в скальных грунтах, где они не нарушают прочности массива. В нескальных грунтах практически термин «жила» применяется исключительно в словосочетании «жила льда», так как скопление

Рис 2 3. Формы геологических тел в грунтовом массиве' 1 — слой суглинка, 2 — слой песка, включающий линзу гравия 3,4 — слой супеси, включавший

песчаный прослой 5, 6 — известняк, С, fQ, aQ. dQ — геологические индексы возраста и генезиса

льда в мерзлых породах в форме жил, а также линз значительно ослабляет основание и детально изучается при изысканиях.

Наряду с внутренне однородными телами в толще грунтов геологи выделяют зоны, например зону выветривания или зону повышенной трещиноватости у разрыва, зону промерзания.

Зоной называют часть массива или толщи, где происходят закономерные постепенные изменения свойств грунтов с глубиной или же в каком-либо другом определенном направлении, например по нормали к крупной наклонной трещине. Зона — это область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

Границы между геологическими телами. Определение границ между геологическими телами при построении инженерно-геологической модели массива грунта или геологического разреза далеко не всегда оказывается простым делом. Необходимо помнить, что строение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полученных по отдельным вертикалям (бурение скважин, геофизическая разведка и т. п.). В зависимости от расстояния между этими вертикалями и условий образования грунтов границы, показанные на разрезе, будут лишь более или менее соответствовать действительным.

В природе границы между геологическими телами могут быть резкими или неопределенными («размазанными»). Например, если на коренное ложе долины, промытое в скальной породе, река откладывает песок, то граница между скалой и песком будет обязательно резкой. Внутри же аллювиальных отложений слой песка с вышележащим слоем супеси может быть связан постепенным переходом. Установить границу между ними можно лишь условно, по изменению числа пластичности 1Р. Граница между песком и супесью, зафиксированная инженерногеологической разведкой, может не отмечаться «на глаз» в котловане. Это, однако, не значит, что она не существует.

Границы, как резкие, так и условные, могут быть плавными или очень сложными по форме. На разрезе же они изображаются одинаковой тонкой линией (рис. 2.4). Границы между геологическими телами, например в толще ледниковых и водно-ледниковых отложений, могут

быть очень неправильными по форме, извилистыми, но зачастую резкими (рис. 2.4, а). Неоднородность строения ледниковой толщи может существенно осложнять строительство.

Еще более сложной является граница между коренной породой и продуктами ее выветривания — элювием. Эта граница обычно то поднимается к поверхности, то погружается на глубину в несколько метров (рис 2 4, в) Выявление границы элювия только в 2. .3 вертикалях почти ничего не говорит о ее положении между этими вертикалями Проведение спрямленной границы между скважинами может привести к значительным ошибкам, которые выявляются при вскрытии котлованом или при сгущении сети скважин. На рис. 2.4, г приведена деталировка разреза (рис. 2.4, в), показывающая, как усложнилось представление о геологическом разрезе после проходки дополнительных скважин между скважинами № 4 и 5. Поэтому при строительстве на элювиальных грунтах часто приходится углублять котлованы ниже проектной отметки, чтобы вынуть сильно выветрелые грунты и поставить фундаменты по всей длине сооружения на скалу.

Совершенно другой характер имеют геологические границы в морских и озерных отложениях (рис. 2.4, б) Они, как правило, близки по форме к горизонтальной плоскости. Здесь производителя

Рис 2 4 Формы геологических границ в грунтовых толщах различного происхождения:

а — ледниковые в водно-ледниковые отложения, 6 — элювий, в — морские в озерные отложения, г — элювий (детализация), 1 — песок, 2 — суглинок, 3 — то же, с включением крупнообломочного материала, 4 — крупнообломочные грунты, 5 — гранит выветрелые, трещиноватый, 6 — граница между геологическими телами, 7 — уровень подземных вод и дата его измерения, индексами обозначены возраст и происхождение горных пород уА — граниты архейской эры, mN — морские отложения неогенового периода, IQ — озерные четвертичные отложения, eQ — элювиальные четвертичные образования, gQ — ледниковые четвертичные отложения, /Q — водно-ледниковые четвертичные отложения, aQ — речные четвертичные отложения

работ, который сверяет проектный геологический разрез с натурой, ожидает минимум неожиданностей.

Значение данных о геологическом строении основания для строительства. Из изложенного ясно, что геологическое строение основания проектируемого сооружения может быть весьма сложным. Поскольку геологический разрез является основой для построения расчетной схемы взаимодействия сооружения и основания, следует стремиться с наибольшей точностью определять местоположение различных геологических тел и границ между ними. Не менее важны тщательное проведение опытов по определению физико-механических характеристик грунтов и статистическая обработка результатов испытания.

На разрезе обязательно должен быть нанесен уровень подземных вод. геологическая граница наиболее склонна к изменению положения во времени, поэтому ее дают с указанием даты измерения.

2.5. Грунты с неустойчивыми структурными связями

Среди грунтов, на которых возводятся сооружения, есть несколько характерных типов особенных образований. Строительство на этих грунтах сопряжено со специальными мероприятиями, несоблюдение которых часто приводит к авариям. К таким грунтам обычно относят мерзлые,

вечномерзлые, лѐссовые, набухающие, слабые водонасыщенные глинистые, засоленные, насыпные грунты, торфы и заторфованные грунты.

При всем различии условий природного образования и последующего изменения этим грунтам свойственна общая особенность — способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эксплуатации сооружений воздействиях: при нагревании — для одних, увлажнении — для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии — для третьих типов грунтов. Это, в свою очередь, приводит также к резкому уменьшению прочности и несущей способности оснований, развитию недопустимых для сооружения деформаций.

Причины указанных процессов заключаются в том, что структурные связи в этих грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению при определенных воздействиях факторами. Поэтому такие грунты часто называют структурно-неустойчивыми грунтами. Рассмотрим происхождение, состав, структурно-текстурные особенности, распространение и формы залегания структурно-неустойчивых грунтов. Методы строительства на структурно неустойчивых грунтах будут рассмотрены в гл. 15. Мерзлые и вечномерзлые грунты. На всей территории России температура воздуха зимой опускается ниже 0°С. В результате длительного воздействия отрицательной температуры происходит промерзание грунта с поверхности на некоторую глубину. В весенне-летнее время, с установлением положительной температуры воздуха, промерзший слой грунта оттаивает. В обширных районах Севера и Северо-Востока на территории, составляющей более половины страны, среднегодовая температура воздуха оказывается ниже 0°С. В теплое время года грунты здесь оттаивают на небольшую глубину (порядка 1...3 м), а ниже (до 30...500 м и более) находятся постоянно в мерзлом состоянии.

При температуре ниже 0 °С, как правило, грунты резко меняют , свои свойства в связи с переходом части поровой воды в твердую фазу — лед.

Грунты всех видов относятся к мерзлым, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грунты называют вечномерзлыми, если в условиях природного залегания они находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение многих (трех и более) лет.

Мерзлые и вечномерзлые грунты из-за наличия в них льдоцементных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми природными образованиями. Однако при повышении или понижении температуры (даже в области отрицательных значений температуры) за счет оттаивания части льда или замерзания части поровой воды их свойства могут изменяться. При оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние.

Строение верхних зон земной коры зависит от географо-климатических условий района. На большей части европейской территории России (исключая северо-восточную оконечность Кольского полуострова), в Западной Сибири и Средней Азии толща грунта в зимнее время промерзает на некоторую глубину, а летом оттаивает. Ниже расположен постоянно талый грунт. Попеременно замерзающий и оттаивающий слой грунта называют деятельным слоем (рис. 2.5, а). На Севере и в Восточной Сибири ниже деятельного слоя располагается толща вечномерзлого грунта. В этом случае поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют слоем сезонного оттаивания, если он зимой сливается с вечномерзлым грунтом (рис. 2.5, 6), и сезонного промерзания, если между ним и кровлей вечной мерзлоты находится слой талого грунта (рис. 2.5, в).

По В. А. Кудрявцеву, в зависимости от температурных условий I область вечной мерзлоты разделяется на пять зон. В первой зоне (районы Иркутска, Читы и т. д.), расположенной по западной и южной границам области, мощность мерзлых толщ не превышает 30...40 м, температура вечномерзлых грунтов близка к 0... ... —1°С. Здесь отмечается островное залегание вечномерзлых грунтов, перемежающееся территориями с отсутствием вечной мерзлоты. На севере и северо-востоке от нее находится вторая зона (среднегодовые температуры грунтов — 1... —3°С, мощность вечной мерзлоты 40... 150 м), являющаяся переходом от прерывистого к относительно сплошному распространению вечной мерзлоты. В результате отепляющего влияния водоемов, рек, деятельности человека в этих зонах возможно образование сквозных таликов —толщ незамерзающих грунтов. Далее на север и северо-восток со сложными границами располагаются зоны сплошного распространения мерзлых толщ (третья зона — среднегодовая температура грунтов от — 3 до — 5 °С, мощность вечной мерзлоты до 200...250 м; четвертая — температура от

— 5 до — 10°C, мощность до 400...600 м и более, занимающая значительную часть Якутии и северо-восточной оконечности страны; пятая зона относится к арктическому побережью). Здесь уже талики, как правило, не являются сквозными, а приурочены только к местным отепляющим факторам.

Мерзлые и вечномерзлые грунты отличаются характерной морозной текстурой, обусловленной содержанием и расположением в них льда. Различают массивную (слитную) текстуру, когда лед содержится только в порах грунта и видимые прослойки льда отсутствуют. Такая текстура свойственна крупнообломочным и песчаным, а также маловлажным глинистым грунтам. В случае слоистой текстуры, характерной для глинистых грунтов, промерзающих при подтоке воды, лед содержится в грунте в виде удлиненных включений (шлиров) различных размеров, ориентированных примерно в одном направлении. Сетчатая (ячеистая) текстура свойственна сильно обводненным глинистым и скальным грунтам. Шлиры и прослои льда в этом случае образуют сложную сеть, толщина их может измеряться сантиметрами. Наконец, в рыхлых крупнообломочных грунтах может формироваться корковая текстура, когда лед образует корки и линзы вокруг частиц и агрегатов грунта. Толща вечномерзлых грунтов может содержать также и более крупные включения льда (жилы, прослои, линзы), достигающие десятков сантиметров и даже метров. Схематический разрез вечномерзлой толщи и внутреннее строение ее инженерногеологических элементов приведены на рис. 2.6.

-

Рис 2.5. Схема расположения слоев грунта:

/ — деятельный слой, 2 — талый грунт, 3 — слой сезонного оттаивания, 4 — вечномерзлый грунт, 5 — слой сезонного промерзания

Содержание льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах, а следовательно, и их состояние по прочности и деформируемости существенным образом зависят от изменения внешних воздействий, прежде всего отрицательной температуры. Это важнейшее качество мерзлых грунтов было установлено в 1945 г. Н. А. Цитовичем и названо им принципом равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах.

Опыт показывает, что при промерзании грунтов, особенно мелкодисперсных (глинистых), в лед переходит не вся поровая вода, а лишь часть ее. Дальнейшее понижение температуры сопровождается фазовыми превращениями, но интенсивность их уменьшается, причем чем больше в грунте связанной воды, тем большая часть поровой воды при данной отрицательной температуре находится в незамерзшем состоянии. Это хорошо иллюстрируется графиками на рис. 2.7. В кварцевых песках практически не содержится связанной воды, все фазовые переходы завершаются при температуре, близкой к 0°С. В глинистых грунтах с увеличением содержания глинистых частиц относительное содержание связанной воды возрастает, что ведет к увеличению количества незамерзшей воды.При данной температуре.

Указанные особенности мерзлых грунтов вызывают необходимость введения при их рассмотрении дополнительных физических характеристик. В соответствии со СНиП 2.02.04 — 88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» к ним относятся различные характеристики влажности (суммарная влажность мерзлого грунта, влажность мерзлого

1 — слой суглинка, 2 — слой песка, 3 — трещиноватая скальная порода, 4 — жилы и линзы льда, 5 — сеть ледяных жилок в суглинке (сетчатая текстура), б — поровый лед-цемент заполняет поры между частицами (массивная текстура), 7 — базальвый лед-цемент разобщает частицы (корковая текстура), 8 — трещинный лед в скальной породе (слоистая текстура, приближающаяся к ячеистой)

грунта за счет содержания только незамерзшей воды и влажность мерзлого грунта между отдельными ледяными включениями); льдистости — отношения объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, ко всему объему грунта (суммарная льдистость мерзлого грунта и льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений); ряд других показателей (степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой, температура начала замерзания воды в порах грунта). Кроме того, для расчетов промерзания — оттаивания грунтов используются теплофизические характеристики: теплопроводность, объемная теплоемкость, различающиеся для талого и мерзлого грунта, и теплота таяния (замерзания) грунта.

Физический смысл этих характеристик и способы их определения подробно рассмотрены в указанном выше СНиПе.

Изменение температурного состояния мерзлых грунтов приводит к значительным изменениям их физических, а следовательно, и механических свойств.

Важнейшей особенностью мерзлых грунтов является их просадочность при оттаивании — резкое уменьшение объема грунта при таянии льда и обжатии воды, что может приводить к чрезмерным деформациям построенных на этих грунтах сооружений.

Лѐссовые грунты (лѐссы). Около 14% континентальной части бывшего СССР покрыто лѐссовыми грунтами. Они распространены на значительной части юга европейской территории, включая Украину, Центральный Крым, Северный Кавказ, Поволжье, часть Беларуси. Большие территории Средней Азии, Закавказья, Западной Сибири также покрыты лѐссовыми грунтами. Равнинные территории многих стран Азии с сухим климатом (Монголии, Китая, Афганистана, Ирана и др.) сложены лѐссовыми грунтами. Мощность лѐссового покрова колеблется от нескольких метров до 20...30 м, а иногда и более.

Лѐссовые грунты по составу, структурно-текстурным признакам, а следовательно, и механическим свойствам существенно отличаются от всех других горных пород. Твердые частицы лѐссовых грунтов

Рис. 2.7. Кривые содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах в зависимости от отрицательной температуры (по Н. А. Цитовичу)

1 — хяарцевый оеоок; 2 — супесь; 3 — суглинок; 4 — глина; 5 — то же, содержащая монтмориллонит

на 80...90% состоят из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По крупности до 60%, иногда даже до 90% твердых частиц относится к пылеватым, остальные — к глинистым, лишь малая часть — к песчаным фракциям. По гранулометрическому составу и числу пластичности лѐссовые грунты относятся к пылеватым супесям и суглинкам. Влажность лѐссовых грунтов в естественном состоянии обычно не превышает 0,08...0,16, степень влажности 5г<0,5.

Внешне лѐсс представляет собой горную породу палевого цвета, маловлажную, слабосцементированную, пыльную в сухом состоянии. При увлажнении образцы лѐсса распадаются на мелкие агрегаты. Пористость сухих или слабоувлажненных лѐссов обычно 0,4...0,5 и более. Для них характерно наличие крупных, различимых невооруженным глазом пор. Чаще всего это вертикальные округлые в сечении трубочки с диаметром от сотых долей миллиметра до миллиметра, редко больше. Важно подчеркнуть, что размер пор значительно превышает размер частиц грунта. Именно в связи с таким соотношением диаметра пор и диаметра частиц лѐссовые грунты называют макропористыми. Поры, которые визуально кажутся мелкими, являются очень крупными по отношению к частицам, слагающим их стенки. При таком соотношении размеров поры сохраняются в грунте только за счет цементации частиц растворимыми минералами (СаСО3; CaS(V2H2O; NaCl и др.).

Происхождение макропор связывают с корневой системой растений и другими факторами. В южных районах, где формируется лѐсс, корни растений проникают на глубину нескольких метров в поисках воды. Отмирая и истлевая, корни оставляют после себя вертикальные канальцы. Постепенное накапливание толщи лѐссовых грунтов не приводит к разрушению макропор. Благодаря вертикальной пористости лѐссы, несмотря на глинистый состав, обладают хорошей водопроницаемостью в вертикальном направлении, что способствует быстрому и глубокому замачиванию лѐссовых оснований при различного рода утечках воды.

При природной влажности лѐссовые грунты за счет цементационных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой до 10 м и более. Увлажнение лѐссов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения — просадками. Поэтому лѐссовые грунты называют просадочными. Величина просадки может достигать нескольких десятков сантиметров.

Набухающие грунты. Набухающие грунты встречаются в районах Поволжья, Закавказья, Казахстана и Крыма. Они широко распространены в Египте, ЮАР, США и других странах. В Индии, например, около 30% территории сложено набухающими грунтами.

К набухающим относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит, каолинит, гидрослюды) и малой влажностью в природном состоянии (w<wP).

Значения влажности на пределе текучести и числа пластичности у этих грунтов весьма велики. Поступающая в набухающие грунты влага адсорбируется поверхностью глинистых частиц, образуя гидраные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц под действием гидрантых оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объема грунта. Часть воды проникает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к увеличению объема грунта. При уменьшении влажности набухающих грунтов возникает их усадка, приводящая к объемным деформациям.

Таким образом, набухающие грунты отличаются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшением объема) при высыхании.

Увлажнение может быть вызвано повышением уровня подземных вод, накоплением дополнительной влаги под сооружением из-за нарушения природных условий испарения воды из грунта при экранировании его поверхности построенным сооружением и т. д. Уменьшение влажности грунта обычно связано с технологическими или климатическими факторами.

Некоторые грунты, не обладающие способностью к набуханию при их замачивании природной водой, приобретают свойства набухать при увлажнении их растворами солей, представляющими собой технологические отходы химических, металлургических и других предприятий. Это явление часто называют «химическим набуханием».

Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Е. А. Сорочан приводит примеры, когда подъем некоторых конструкций при набухании грунтов основания достигал 580 мм. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты. К ним обычно относятся илы, ленточные глины, водонасыщенные лѐссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов. Характерными особенностями таких грунтов являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и большая деформируемость.

Илами называют водонасыщенные современные осадки водоемов (морские, лагунные, озерные), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влажность на границе текучести (w>wL), коэффициент пористости е>0,9. Пресноводный ил называют

сапропелем.

По составу илы отличаются от других глинистых грунтов повышенным содержанием органических остатков, которые постепенно разлагаются в процессе естественного упрочнения породы, на что при отсутствии доступа кислорода уходят многие годы. Органические остатки и экологически связанные с ними и с водой в единую систему микроорганизмы придают илам особые свойства. В илах, как и в других глинистых отложениях, преобладают глинистая и пылеватая фракции, может присутствовать мелкопесчаная фракция. Более крупные обломки практически отсутствуют. Наряду с кварцем, полевыми шпатами и глинистыми минералами, составляющими основную массу всякого ила, в морских, лагунных и некоторых других илах присутствуют растворимые минералы в составе порового раствора или в кристаллическом виде. Органические образования в илах составляют более 10% массы.

Илы залегают на дне водоемов, непосредственно под водой либо под маломощным слоем песчаных отложений или под торфом. Мощность ила может достигать 10 м, а иногда и нескольких десятков метров. В последнем случае с глубиной происходит уплотнение и упрочнение илов. Они постепенно переходят на глубине 30...50 м в нормальный глинистый грунт текучепластичной консистенции. С глубиной ил не только уплотняется, в нем обычно также уменьшается содержание органики.

Отличительной особенностью илов является то, что в ненарушенном состоянии они обладают небольшой структурной прочностью. Передача на илы давлений, меньших структурной прочности, вызывает лишь упругие деформации скелета грунта. Структура илов легко разрушается при статических нагрузках, превышающих структурную прочность, и особенно при воздействии динамических нагрузок. Однако со временем водно-коллоидные связи в илах восстанавливаются и уплотненный илистый грунт упрочняется.

Ленточные глины (ленточные отложения) — это толща грунтов, состоящая из близкого к горизонтальному переслаивания тонких и тончайших (несколько сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и глины.

Суммарная мощность ленточных отложений может достигать 10 м и более.

Ленточные отложения широко распространены на северо-западе европейской части России. Они образовались в приледниковых озерах во время оледенения Русской равнины.

Талыми водами в озера ледника выносились глинистые частицы и малые обломки минералов, соответствующие размерам пыли и мелкого песка, причем в летнее время при интенсивном таянии поступал более крупный материал. В это время формировались песчаные и песчано-пылеватые прослои. В осеннее время при уменьшении скоростей в потоках талых вод в озера поступали преимущественно мельчайшие пылеватые и глинистые частицы. В это время песчаный прослой

закрывался по всей площади озера глинистым. Таким образом, пара прослоев соответствовала годичному циклу.

Вкатегорию особых грунтов ленточные глины попадают из-за своеобразия текстуры, из-за тонкой горизонтальной слоистости, которая создает особые свойства описываемых отложений. Слоистая текстура вызывает анизотропию свойств. Очевидно, что водопроницаемость толщи вдоль прослоев значительно больше, чем в поперечном направлении. Различие в водопроницаемости в горизонтальном и вертикальном направлениях может достигать 2...3 порядков.

Вестественном состоянии ленточные отложения имеют высокую пористость. Коэффициент пористости обычно равен 0,7...0,8 и нередко превышает единицу. Грунты обычно находятся в водонасыщенном состоянии. Естественная влажность w обычно равна 0,3...0,5, но может достигать

и 0,7...0,8, тогда как влажность на пределе текучести wL не превышает 0,6...0,65. Следовательно, ленточные отложения находятся в скрытопластичном состоянии или даже в скрытотекучем. Этому способствует тесное соседство песчаных и глинистых прослоев.

Высокое значение пористости и большая влажность ленточных глин свидетельствуют об их малой прочности и сильной деформируемости под нагрузками. Как и илистые грунты, ленточные глины в природном состоянии обладают некоторой структурной прочностью.

Торф и заторфованные грунты. Торфяные образования широко развиты в низинных болотнолесных, тундровых, таежных районах (Беларуси, Прибалтика, Север, Западная Сибирь). Внешне торф представляет собой землистую массу от светло-бурого до темно-бурого и черного цвета, пластичную во влажном состоянии.

Торфом называют органические отложения, не менее чем на 50% сухой массы состоящие из остатков растительности. Стебли трав и камыша, ветви кустарников, стволы и корневища деревьев находятся в торфе в разных соотношениях и в различной степени разложения, что делает торфы неоднородными даже в пределах одной залежи. Еще более разнообразны торфы различных болот.

Органоминеральные образования — песчаные, пылеватые и глинистые, содержащие торф в количестве от 10 до 50% массы сухого вещества, называют заторфованными грунтами.

Состояние и свойства торфа и заторфованных грунтов в большой мере зависят от степени разложения органических остатков, переходящих в гумус, и относительного содержания в них

неорганических минералов. Содержание гумуса в торфе повышается с увеличением степени его разложения. Плотность торфа обычно не превышает 1...1.2 г/см3, а влажность достигает нескольких сотен процентов. В природных условиях торф и заторфованные грунты, как правило, находятся в водонасыщенном состоянии.

Торфы относятся к наиболее сжимаемым грунтам. Из-за большого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сложенных торфом или содержащих включения заторфованных грунтов, бывают значительны и затухают очень медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов также крайне невелика. Поэтому напластования, содержащие заторфованные грунты, относятся к наихудшим типам оснований сооружений.

Засоленные грунты. Засоленные грунты широко представлены в Казахстане, Средней Азии, Азербайджане, на Украине и в северных приморских районах, Прикаспии.

К этой разновидности относятся крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, содержащие определенное количество легко и среднерастворимых солей.

Легкорастворимыми солями являются хлористые, серно-кислые и карбонатные соли натрия, калия

и магния (галит NaCl, сода NaCO3, мирабилит NaSO4 и др.), среднерастворимыми — сульфат кальция (гипс) CaSO4'2H2O, ангидрит CaSO4, кальцит СаСО3 и др.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связана с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого неравномерных просадок. Фильтрующая вода становится раствором вымываемых солей и приобретает агрессивность по отношению к металлу и бетону.

Насыпные грунты. Интенсивная хозяйственная деятельность человека привела к образованию особой разновидности отложений — насыпных грунтов.

К насыпным относятся грунты природного происхождения с нарушенной естественной структурой, а также минеральные отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы, образовавшиеся их отсыпкой или гидронамывом.

Как отмечает В. И. Крутов, ежегодный объем земляных работ на территории бывшего СССР

составлял около 3 млрд. м3. Это привело к формированию больших регионов, сложенных насыпными грунтами. Функционирование города с населением 1 млн. жителей связано с образованием отходов, содержащих органику, которые ежегодно складируются в отвалы на территории около 40

га двухметровым слоем отсыпки. Таким образом, в результате горно-технической, инженерностроительной и хозяйственной деятельности человека объемы образования и накопления насыпных грунтов стали соизмеримы с масштабами геологических явлений.

Территории, занятые насыпными грунтами, обычно представляют собой бывшие овраги, пруды, болота, поймы рек и т. п. Рельеф засыпаемых участков, как правило, сильно изрезан, поэтому мощность насыпных грунтов часто бывает весьма неравномерна. Кроме того, насыпные грунты могут подстилаться разновидностью других слабых грунтов.

В насыпных грунтах постепенно происходят различные физические, физико-химические, биологические и другие процессы, приводящие, с одной стороны, к их самоуплотнению, упрочнению, с другой — к распаду, разложению как структуры отдельных агрегатов, так и отдельных частиц, т. е. к разупрочнению. Поэтому насыпным грунтам в той или иной степени свойственны многие из тех особенностей, которые были отмечены выше при рассмотрении других разновидностей структурно-неустойчивых грунтов.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ

3.1. Постановка задач в механике грунтов

Особенности грунтов оснований как объекта строительства. Из предыдущих глав курса следует, что в отличие от всех остальных материалов, с которыми

приходится иметь дело строителю, грунты представляют собой тела естественного, реже искусственного (техногенного) происхождения со сложной историей образования и последующего изменения. Основной их отличительной особенностью является несплошность (раздробленность, дискретность) строения, а во многих случаях, например, глинистые грунты, очень мелкая раздробленность (дисперсность) вплоть до коллоидных размеров частиц. Многокомпонентный состав грунтов, их пористость, водонасыщенность, структурные связи между частицами, сложное взаимодействие различных компонент друг с другом приводят к особым свойствам этих материалов, существенно отличающимся от свойств конструкционных материалов.

Массивы грунтов, являющиеся основанием сооружений, формируются в различных геологогеографических условиях, постоянно испытывают воздействие природных и техногенных процессов. Это порождает огромное многообразие их строения и состояния. В отличие от конструкционных материалов, состав которых подбирается технологами так, чтобы обеспечить необходимые свойства, грунты каждой строительной площадки обладают своими свойствами, что требует каждый раз их самостоятельного изучения.

Протекающие в них процессы видоизменяют состояние и свойства грунтов. Они могут быть крайне медленными, так что к началу строительства массив грунтов может рассматриваться как находящийся в равновесном состоянии. В других случаях (например, при строительстве на территориях, самоуплотнение которых продолжается) процессы, возникающие в результате строительства сооружений, будут накладываться на процессы, протекающие собственно в массиве грунтов.

В результате строительства сооружения начальное состояние основания нарушается и в грунтах возникают новые процессы. Грунты (скальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые) в разном состоянии по трещиноватости, плотности, влажности неодинаково реагируют на одни и те же нагрузки, и протекающие в них процессы будут приводить к различным результатам. Они могут вызывать смещения отдельных частиц, приводящие к их более плотной или более рыхлой упаковке (уплотнение и разуплотнение грунта), к возникновению в поровой воде разности напоров и ее движению (фильтрация воды в грунте), к большим взаимным перемещениям одной части основания относительно другой (разрушение грунтов основания).

Состояние и свойства грунтов в основании построенного сооружения также могут меняться в процессе его эксплуатации (уплотнение от нагрузок, передаваемых сооружением; изменение влажностного режима при колебании уровня подземных вод; оттаивание вечной мерзлоты в основании т. д.). Строительство новых сооружений рядом с существующими, ведение подземных работ, реконструкция сооружений и т. п. будут приводить к дополнительным воздействиям на грунты основания уже построенных сооружений. В результате в грунтах могут вновь развиваться процессы, осложняющие эксплуатацию сооружений.

Таким образом, грунты основания не только обладают особыми свойствами, но и постоянно (до строительства, во время строительства и в процессе эксплуатации сооружения) испытывают различного рода воздействия, изменяющие их состояние и свойства. Это вызывает необходимость разработки совершенно иного подхода к исследованиям, расчетам, проектированию и устройству оснований, чем принятый в инженерной практике для конструкционных материалов. Сказанное в полной мере может быть отнесено и к тем случаям, когда грунты являются материалом сооружения или средой, в которой оно возводится.

Модели механического поведения грунта. Для надежного и экономичного проектирования сооружений необходимо уметь определять изменение напряжений в грунтах основания в результате строительства, оценивать, будет ли обеспечена прочность грунтов при таком изменении напряжений и какие в результате возникнут деформации основания. В конечном счете общая задача, как и в других дисциплинах конструкторского цикла, заключается в расчетах напряженно-деформированного состояния грунтов основания, взаимодействующего с сооружением, оценке их прочности и устойчивости.

Однако из-за указанных выше особенностей поведения грунтов в основании сооружений обычный подход строительной механики для решения этой задачи оказывается недостаточным, возникает необходимость разработки такой модели грунта, которая учитывала бы основные особенности его деформирования, и такого аппарата анализа, который позволял бы прогнозировать происходящие в грунтах основания процессы. Для этих целей могут быть использованы модель дискретной среды или модель сплошной среды.

Впервом случае делается попытка отобразить в расчетной модели физические особенности грунта как дискретного материала, представляя его в виде совокупности отдельных частиц — шаров, дисков, балочек и т. п. (работы Г. И. Покровского, И. И. Кандаурова, Р. Роу и др.). Однако развитие этого направления встречается с большими сложностями и пока еще не привело к созданию законченной теории деформирования грунтов. Современная механика грунтов основывается на представлениях о грунтах как о сплошной однородной деформируемой среде.

Такая концепция сплошности вещества, хотя и противоречит представлениям об атомном (дискретном) строении материи, является основным постулатом механики сплошной среды. Это обеспечило разработку мощного математического, аппарата с единым подходом к изучению всех твердых тел, жидкостей и газов.

Применительно к грунтам концепция сплошности была утверждена еще в 30-х годах нашего столетия классическими работами К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича и успешно развивается в нашей стране и за рубежом. Однако это потребовало введения ряда предпосылок, упрощающих реальное строение грунта, важнейшие из которых рассматриваются ниже.

Во-первых, вводится понятие элементарного объема грунта, т. е. такого его объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. Тогда понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке как в механике сплошной среды, а к площадкам, соответствующим элементарному объему. Кроме того, размеры образца грунта для экспериментального определения характеристик его механических свойств в предположении сплошности материала должны быть значительно больше линейного размера элементарного объема. Во-вторых, применение аппарата механики сплошной среды для расчетов напряжений и деформаций в массиве грунта оказывается справедливым только в тех случаях, когда размеры массива и размеры площадок, через которые передаются нагрузки на массив, значительно больше размера элементарного объема грунта.

Вбольшинстве случаев (для песчаных и глинистых грунтов) эти условия всегда выполняются. Действительно, легко подсчитать, что в 1 см3 песка средней крупности будет содержаться порядка 50 тыс. отдельных частиц. Следовательно, площадки, к которым относятся напряжения и деформации, будут иметь размеры менее 1 см, а образец для испытания грунта, чтобы неоднородности отдельных частиц не влияли на его свойства, может иметь размеры в несколько сантиметров. С другой стороны, при ширине фундамента, например, 1 м точность определения напряжений и деформаций в основании, сложенном такими песками, будет достаточна для инженерных расчетов.

Значительно осторожнее следует относиться к использованию модели сплошной среды в случае крупкообломочных и трещиноватых скальных грунтов. Здесь уже может потребоваться проведение испытаний с очень крупными образцами или даже переход к крупномасштабным полевым опытам.