Замораживание плывунов является временным и ненадежным мероприятием. Для этого используют или морозное время года,

или специальные холодильные установки. В зимнее время про­

ходку котлованов проводят поэтапно, после каждого периода

промораживания грунта на глубину 20-30 см. Искусственное за­

мораживание осуществляют вокруг котлована путем циркуляции

в скважинах раствора CaCI2, охлажденного до - 20-40 ОС. Это

создает вокруг котлована зону замороженного водопроницаемого

грунта.

СШlикатизация - нагнетание в плывуны жидкого стекла. Это

возможно при достаточно высокой водопроницаемости плывунов

(kФ > 0,5 мjсут). Силикатизация требует больших затрат, но весь­

ма эффективна.

Правильное и своевременное применение тех или иных мер

борьбы с плывунами позволяет успешно осуществлять строитель­ ные работы.

Г л а в а 30

ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЛЕССОВЫХ ПОРОДАХ

Лессовые породы занимают большие площади территории Рос­

сии, 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 другихводоупорными глинами.

Толщина лессовых отложений колеблется от нескольких до десятков метров, а в отдельных случаях даже более 100 м (Вос­ точное Предкавказье). Наиболее распространенная мощность лес­ совых отложений 10-25 м, максимальная встречается как на во­ доразделах, так и в понижениях рельефа. В лессовых толщах

всегда встречаются погребеиные почвенные горизонты, разделяю­

щие толщи на ярусы по возрасту.

Лессовые породы представлены суглинками, реже - супесями. Среди них различают лесс (первичное образование) и лессовидные

суглинки (переотложенные первичные образования). Грануломет­ рический состав их нередко бывает сходным, поэтому в строите­

льном деле целесообразно пользоваться единым названием «лес­

совые грунты>>, подразделяя их по гранулометрическому составу

422

на супеси, суглинки, глины. Для лессов типична однородность.

Лессовидные суглинки обычно слоисты и моrут содержать об­

ломки различных пород.

Лессовые грунты бывают палевой, палево-желтой или жел­

то-бурой окраски. Для них характерны следующие особенности: способность сохранять вертикальные откосы в сухом состоянии,

быстро размокать в воде, высокая пылеватость (содержание фрак­ ции 0,05-0,005 мм более 50 % при небольтом количестве глини­ стых частиц), невысокая природная влажность (до 15-17 %); по­ ристая структура (более 40 %) с сетью крупных и мелких пор,

высокая карбонатностъ, засоление легководорастворимыми солями. Природная влажность лессовых грунтов связана, в основном,

с климатическими особенностями районов. В областях недоста­ точного 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 ани­

зотропность фильтрационных свойств. Водопроницаемость лессо­

вых пород по вертикали нередко в 5-10 раз превышает значения

водопроницаемости по горизонтали. При поступлении воды в лессовые толщи образуются скопления верховодок (или грунто­

вых 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 до­

вольно 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 влаж­ ность изменяется мало или даже с глубиной понижается.

Изменение влажности лессовых грунтов по сезонам года серь­

езно сказывается на основных строительных свойствах - сжимае­

мости, просадочности и сопротивлении сдвигу.

Среди лессовых пород по характеру влияния на них увлажне­

ния 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 приложе­ нии нагрузок просадочных свойств не проявляют. Такие породы

423

свойственны поиижеиным частям рельефа и наиболее северным районам распространения лессовых отложений. Непросадочными

также являются нижние части лессовых толщ и участки, ранее

претерпевшие значительное обводнение.

Просадочностъ - явление, характерное для мноrих лессовых

пород. На рис. 165 показан наиболее характерный случай геоло­

гического строения лессовой толщи, в верхней части которой за­

легают 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. Уплотне­

ние пород приводит к опусканию поверхности земли в местах за­

мачивания водой. Форма опускания зависит от особенностей ис­ точника замачивания. При точечных источниках (прорыв водопроводной сети, канализации и т. д.) образуются блюдцеоб­ разные понижения. Инфильтрация воды через траншеи и каналы приводит к продольным оседаниям поверхности. Площадные ис­

точники замачивания, в том числе и при поднятии уровня под­

земных вод, приводят к понижению поверхности на значитель­

ных территориях.

Вследствие опускания поверхности земли здания и сооружения

претерпевают деформации, характер и размер которых определяет­

ся величинами просадок Sup (рис. 166, 167). Величина оседания

поверхности (величина просадки) может быть различной и колеб­

лется от нескольких до десятков сантиметров, что зависит от осо­

бенностей замачивания толщи. Например, в г. Ростове-на-Дону просадка может составить 15-20 см, а в районе Тереко-Кумекой оросительной системы на Северном Кавказе- 100-150 см.

Структура лессовых пород по своей прочности неодинакова. В

одних случаях она разрушается после воданасыщения и при одно-

Рис. 165. Строение лессовой

толщи:

1 - здание; 2- nороды nросадочные; 3 - то же, неnросадочные; 4- грун­ то.вал вода; 5- глина (водоуnор); б- участок, rде nрояuилась просад-· ка; 7- деформируемая часть здания

424

,1 ,\ ,\\\\l\1\'

типа- 0,08-0,12 МПа. Значение начального просадочного дав­ ления определяет деформируемые зоны в лессовой просадочной толще. В этих зонах происходит просадочное уплотнение пород. На рис. 169 показано, где образуются деформируемые зоны в nо­ родах I и II типов.

В первом случае просадочная деформация возникает под фун­ даментом в зоне 1. Во втором случае, кроме зоны 1, просадка возникает еще в зоне 3, где она проявляется под действием соб­ ственного веса породы. В ряде случаев зона 2 вообще отсутству­ ет, и зона 1 сливается с зоной 3.

За количественную характеристику просадочности принимают величину относительной просадочности породы EsL, 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 EsL получают по результатам лабораторных компресси­

онньrх испытаний

где h; - высота образца при принятом давлении; hl - высот<! об­

разца в замоченном состоянии при том же давлении; h0 - высота образца при давлении, равном природному. При значениях EsL ~ 0,01 породу относят к просадочной. По величине EsL от­ дельных образцов определяют общую величину просадки Sпр дан­

ной лессовой толщи.

В полевьrх условиях величину Sпр определяют методом штампа,

который размещают на глубине подошвы будущего фундамента и передают на него необходимое давление и замачивают породу. Та­ кого типа определения дают наиболее точные результаты.

426

Механические методы преобразуют породы либо с поверхно­ сти, 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 во­

дой и т. д. Находят применение также песчаные и грунтовые по­

душки, грунто-цементные опоры.

К физико-химическим способам относят: обжиг грунтов через

скважины, силикатизацию, пропитку цементными и глинистыми

растворами, обработку различными солями, укрепление органи­ ческими веществами (битум, смолы и др.).

Глава 31

ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД НАД

ПОДЗЕМНЫМИ ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ

Горные породы в земной коре находятся в естественно напря­

женном состоянии, вызванном гравитационными силами. Про­

ходка подземных горных выработок (туннелей, штолен, штреков

и т. п.) вызывает в массиве пород перераспределение напряже­ ний, причем на одних участках возникает повышенное сжатие,

на других - растягивающая сила.

При концентрации напряжений возникает горное давление, воздействующее на крепь подземных выработок. Горное давление

можно понимать как силу давления на крепь, вызванную движе­

нием горных пород в сторону выработки. Тhрное давление зави­

сит от геологического строения массива и свойств пород, глуби­

ны заложения и особенностей самой выработки. Оно колеблется от О до 1200 МПа.

Горное давление приводит к ряду инженерно-геологических

явлений, возникающих вокруг подземных выработок и на повер­ хности земли, - горные удары, выбросы пород, пучение, обруше­

ние, сдвижение массива пород и т. д. Эти явления развиты не только на обширных пространствах горно-промышленных райо­

нов, таких, как Донбасс, Урал, Кузбасс, где добывают полезные ископаемые подземным способом. Они мoryr возникать в горо­ дах и рабочих поселках, где в строительных целях выполняют различные подземные выработки типа тоннелей, коллекторов,

штолен и других подземных сооружений.

429

Сдвижение горных пород. Наиболее крупные деформации зда­

ний и сооружений возникают при сдвижении массивов горных по­

род. Под сдвижением обычно понимают деформацию пород, зале­ гающих непосредственно над горными выработками (или выработанными пространствами). На этом участке в массиве про­

исходит изгиб пластов или беспорядочное обрушение пород, а по­

верхность земли искривляется и опускается вместе с сооружения­

ми. Участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению, называют мульдой сдвижения.

Развитие процессов сдвижения зависит от свойств пород, сла­

гающих толщу над горной выработкой, и прежде всего от их

прочности и способности к пластическим деформациям. В таких

прочных, но непластичных породах, как песчаники, известняки,

конгломераты, сдвижение происходит при значительной выработ­ ке пространства по площади, но зато оно будет развиваться бы­

стро в форме обрушения с образованием трещин и провалов на

земной поверхности. В пластичных породах (глины, глинистые сланцы, аргиллиты и т. п.) сдвижение начинается при значитель­ но меньших размерах выработанного пространства. На поверхно­

сти земли это выражается в виде плавного прогибания, причем

оно происходит постепенно, длительное время без каких-либо

трещин на поверхности.

Значительную роль в формировании мульды играет чередова­ ние слоев. Например, если пластичные породы подстилают жест­ кие, прочные, то явление будет таким же, как если бы вся толща состояла из непластичных пород. Если пластичные породы будут

подстилаться прочными породами, то деформации поверхности

будуr плавными. Существенную роль играет трещиноватость, ко­

торая ускоряет процесс сдвижения, облегчая перемещение плас­

тов и блоков пород в вертикальном направлении.

Величина осадки поверхности земли в пределах мульды раз­

лична и составляет 0,1-0,9 (чаще 0,6-0,7) от мощности разраба­ тываемого пласта или высоты подземной выработки. Глубина цен­

тральной части мульды сдвижения колеблется от долей метра до

1-2 м. Так, в Донбассе при пологом залегании пластов каменного

угля осадка составляет 50-60 % мощности пласта, т. е. при пласте

в 1 м осадка поверхности земли достигает 50-60 см, а при на­ клонных пластах с углом падения больше 45"- (30-50) %.

Размер площади мульды превышает размер выработанного

пространства. Это связано с подвижкой пород не только над вы­ работкой, но и в сторону от нее под некоторым углом, который получил название угла сдвижения (рис. 172). Его величина зави­

сит от состава и состояния пород. Для коренных пород Донбас­

са, например, при горизонтальном положении пластов угол со-­

ставляет 85·, для четвертичных наносов6о·.

430

Р и с. 172. Мулъда сдвижения

пород:

1 - нормальная поверхность земли; 2- поверхность мулJ,Ды; 3- деформи­

рующийся массив пород; 4 - подзем-

ная выработка; ~ - угол сдвижения

Величину осадки поверхности земли (прогиба мульды), площадь мульды и наклон ее бортов определяют расчетным пуrем и специа­

льными наблюдениями с помощью инструментов и реперов.

Оседание мульды длится месяцы и годы, что связано с глуби­ ной залегания выработок. По некоторым данным, в Донбассе об­ щая продолжительность процесса сдвижения при глубине залега­ ния выработки до 100 м составляет 1 год, при 100-200 м- 2 года, при 200-300 м- около 3 лет и т. д. Скорость оседания по­ верхности земли зависит от соотношения глубины залегания вы­

работки Аг (табл. 36).

Таблица 36

Скорость оседания nоверхности земли

Провалы поверхности земли образуются в результате обруше­

ния грунтов в горные выработки. Размеры провалов различны.

Наиболее значительные провалы характерны для круrозалегаю­

щих пластов. В Кузбассе такие провалы тянуrся на десятки ки­

лометров по простиранию круrозалегающих пластов.

При строительстве в районах подземных выработанных про­

странств необходимо учитывать возможность возникновения му­

льды сдвижения, так как наклон, искривление и оседание зем­

ной поверхности обусловливают деформации и даже разрушение наземных сооружений. В центральной части мульды осадки зда­ ний происходят более или менее равномерно. На этом участке деформации проявляются в меньшей степени. На окраинах мудь­ ды, где наклон и искривление земной поверхности велики, зда­ ния подвергаются неравномерным осадкам и значительно дефор­ мируются (рис. 173). Высокие сооружения (башни, трубы и т. д.) при этом получают опасный крен (рис. 174).

431