8.3.2.1. Определение показателей деформации просадочных грунтов

Просадкой грунтов основания s_sl, см, называются деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительных факторов, таких, как, например, замачивание просадочных грунтов.

При увеличении влажности грунтов основания вследствие замачивания сверху больших площадей, а также замачивания снизу при подъеме уровня подземных вод просадка определяется по формуле [92]:

где _sl,i – относительная просадочность i^–го слоя грунта, h_i – толщина i^–го слоя; n – число слоев, на которое разбита зона просадки k_sl,i – коэффициент, зависящий от давления просадки и давления под подошвой фундамента.

Коэффициент k_sl,i при ширине сооружения b = 12 м принимается равным 1 для всех слоев грунта в пределах зоны просадки; при b = 3 м определяется по формуле:

,

где р – среднее давление под подошвой фундамента, кПа (кгс/см²); p_sl,i – начальное просадочное давление грунта i^–го слоя, кПа (кгс/см²), р₀ – давление, равное 100 кПа (1 кгс/см²); при 3 м<b<12 м определяется по интерполяции между значениями k_sl,i, полученными при b=3 м и b=12 м.

При определении просадки грунта от собственного веса следует принимать k_sl = 1 при h_sl  15 м и k_sl = 1,25 при h_sl  20 м, при промежуточных значениях h_sl коэффициент k_sl определяется по интерполяции [92].

Толщина зоны просадки h_sl принимается равной:

• h_sl = h_sl,р – толщине верхней зоны просадки при определении просадки грунта от внешней нагрузки s_sl,p, при этом нижняя граница указанной зоны соответствует глубине, где _z =  _{z p} +  _{z g} = p_sl;

• h_sl = h_sl,g – толщине нижней зоны просадки при определении просадки грунта от собственного веса s_sl,g, т. е. начиная с глубины z_g, где  _z = р_sl, или значение _z минимально, если _min > p_sl, и до нижней границы просадочной толщи.

За начальное просадочное давление p_sl принимают давление, соответствующее: при лабораторных испытаниях грунтов в компрессионных приборах – давлению, при котором относительная просадочность _sl равна 0,01; при полевых испытаниях штампами предварительно замоченных грунтов давлению, равному пределу пропорциональности на графике «нагрузка-осадка»; при замачивании грунтов в опытных котлованах – вертикальному напряжению от собственного веса грунта на глубине, начиная с которой происходит просадка грунта от собственного веса.

Определение характеристик просадочности груетов [30]. Характеристики просадочности следует определять по относительной деформации, полученной по результатам испытаний образцов грунта ненарушенного сложения в компрессионных приборах [30]. Испытания надлежит проводить на образцах грунта с замачиванием их водой при давлении, последовательно увеличиваемом ступенями.

Компрессионная кривая просадочных грунтов в координатах е =f(σ) имеет вид ломаной линии (рис. 8.19), на кторой в процессе испытаний грун­та на просадочность выделяют три стадии:

• стадия предварительного уплотнения – деформирование образца до его замачивания возрастающей нагрузкой от 0 до σ_1,n, коэффициент пористости при этом уменьшается от е до е’;

• стадия просадки – дополнительном уплотнении образца при его замачивании под нагруз­кой σ_1,n; коэффициент пористости при этом снижается от е до е';

• стадия послепросадочной деформации – обусловленной компрессией уже просевшего грунта при давлениях > σ_1,n (рис. 8.19).

По результатам компрессионных испытаний определяются следующие показатели, характеризующие просадочность грунта:

• коэффициент макропористоcти Δе,

• коэффициент относительной просадочности ε_sl,

• начальное давление просадки р_sl, МПа,

• начальная влажность просадки w_sl, д. ед.

Коэффициент макропористости (Δе) характеризует диапазон уменьше­ния пористости грунта за счет его просадки: Δе = е – е’, чем он больше, тем более просадочный грунт.

Коэффициент относительной просадочности ε_sl, вычисляется по формуле:

(8.7)

где Δh_sl – дополнительное сжатие (просадка) грунта в резуль­тате замачивания; h’ – высота образца грунта с природной влажностью при заданном давлении; Δh_sl – высота образца грунта после дополнительного сжа­тия (просадки) в результате замачивания.

Начальным просадочным давлением р_sl, МПа [111] называется минимальное давление при котором проявляются просадочные свойства грун­тов при их замачивании, чем оно ниже, тем более просадочным является данный грунт.

Начальной просадочной влажностью w_sl, д. ед., называется минимальная влажность, при которой проявляются просадочные свойства у данного грунта. Чем ниже ее величина, тем большей просадочностью обладает грунт.

Рис. 8.19. Компрессионная кривая просадочного грунта [50]

Испытания просадочных грунтов в компрессионных приборах следует выполнять по схемам:

• «одной кривой» – для определения относительной просадочности при одной заданной величине давления;

• «двух кривых» – для определения относительной просадочности при различных давлениях и начального просадочного давления.

При испытаниях по схеме «одной кривой» нагрузку штампа на образец грунта с природной влажностью следует производить ступенями до заданного давления р. Величину р следует принимать равной (с погрешностью ±10 %) суммарному давлению от собственной массы грунта в водонасыщенном состоянии и от проектируемого фундамента или только от массы грунта (в зависимости от вида просадочных деформаций, для расчета которых определяются характеристики просадочности) на глубине отбора образца. После условной стабилизации осадки образца грунта на последней ступени давления, соответствующей р, образец грунта необходимо замочить водой, продолжая замачивание до условной стабилизации просадки.

Испытания по схеме «двух кривых» надлежит проводить на двух образцах грунта, вырезанных из одного монолита. Один образец следует испытывать в соответствии с вышеприведенной схемой, второй образец необходимо до его нагрузки замочить (без применения арретира) до полного водонасыщения, начиная замачивание не менее чем за 3 ч до передачи первой ступени давления при испытаниях просадочных супесей и 6 ч – при испытаниях просадочных суглинков и глин. Затем следует производить нагрузку штампа на образец ступенями до заданного давления р, продолжая замачивание. Величину р в испытаниях по схеме «двух кривых» следует принимать в интервале 0,2–0,4 МПа/см² с учетом предполагаемого суммарного давления в основании проектируемых фундаментов. Образцы грунта, испытываемые по схеме «двух кривых», не должны отличаться по плотности скелета более чем на 0,03 г/см³ и по влажности – на 2 % (0,02 д. ед.).

Ступени давления в испытаниях следует принимать равными 0,05 МПа. Каждую ступень давления необходимо выдерживать до услов­ной стабилизации осадки образца грунта. За условную стабили­зацию осадки и просадки надлежит принимать приращение де­формации образца, не превышающее 0,01 мм за 3 ч.После приложения каждой ступени давления, или после замачивания образца грунта, следует производить отсчеты по индикаторам, регистрирующим деформации образца: через 5, 10 и 30 мин от начала испытаний, затем через каждый час до конца рабочего дня, а в последующие дни через каждые 3 ч до услов­ной стабилизации деформаций.

Для замачивания образцов грунта надлежит использовать воду питьевого качества температурой 10–25°С. Замачивание образцов грунта водой следует производить снизу вверх в последовательности, определяемой схемой испыта­ний при неизменном градиенте напора, равном 1–1,1. Воду необходимо залить в поддон компрессионного при­бора и затем поддерживать уровень воды в воронке по верхнему торцу образца грунта до окончания испытаний. После окончания испытаний необходимо слить воду из прибора, быстро разгрузить образец грунта, извлечь рабочее коль­цо с образцом, удалить капли воды с его поверхности при помощи фильтровальной бумаги, взвесить рабочее кольцо с образцом для определения плотности скелета грунта после испытаний и отобрать две пробы для испытания на влажность.

По результатам испытаний просадочного грунта в компрес­сионном приборе следует определять:

• величины абсолютного сжатия (осадки) образца грунта Δh_i в мм с точностью 0,01, вычисленные как средние арифмети­ческие значения показаний индикаторов;

• величины относительного сжатия образцов грунта ε с точностью 0,001 при соответствующих значениях давления p_i и ус­ловно стабилизированных деформациях по формуле:

,

где r – поправка на упругую деформацию прибора при давле­нии р_i, определяемая по результатам тарировки, мм; h₀ – высота образца грунта с природной влажностью при при­род­ном давлении на глубине отбора образца, рав­ная h_н –Δh_δ, где h_н – начальная высота образца грунта (высота рабочего кольца), мм; Δh_δ – абсолютное сжатие образца грунта с природной влажностью при природном давлении, мм.

По величинам относительного сжатия образцов ε следует строить график зависимости ε =f(σ ) с отображением просадочных деформаций. В случаях набухания образца грунта, замачиваемого до на­грузки при испытаниях по схеме «двух кривых», необходимо определять свободное относительное набухание ε_sw, как отношение увеличения высоты образца к его начальной высоте; точку, соответствующую ε_sw, следует включать в график ε_sl =f(σ), откладывая ее на оси ординат вверх от оси абсцисс. Относительную просадочность грунта ε_sl при заданном давлении р по испытаниям по схеме «одной кривой» следует определять как дополнительное относительное сжатие образца грун­та в результате замачивания по формуле 8.7.

Величины относительной просадочности ε_sl для различных давлений при испытаниях по схеме «двух кривых» надлежит оп­ределять как разность значений относительного сжатия образцов в водонасыщенном состоянии и природной влажности или разности ординат соответствующих кривых графика ε =f(σ). По значениям ε_sl следует строить график зависимости относительной просадочности от давления ε_sl =f(σ) (рис. 8.20). Начальное просадочное давление р_sl следует определять по графику зависимости относительной просадочности от давления ε_sl =f(σ), принимая за величину р_sl давление, при котором относительная просадочность составит 0,01.

Результаты определения относительной просадочности необходимо выражать с точностью 0,001, начального просадочного давления – с точностью 0,1 кгс/см² и регистрировать в журнале испытаний с указанием наименования вида грунта и значений его физических характеристик [30].

Условные обозначения: 1 – относительное сжатие грунта с природной влажностью; 2 – относительное сжатие грунта в водонасыщенном состоянии в зависимости от давления; 3 – дополнительное относительное сжатие грунта в результате замачивания (относительная просадочность) при заданном давлении; 4 – зависимость относительной просадочности εsl от давления; рsl – начальное просадочное давление

Рис. 8.20. Графики испытания просадочного грунта в компрессионном приборе: а) по схеме «одной кривой», б) по схеме «двух кривых»

Изучением закономерностей просадочности лессовых грунтов занимались Ю.М. Абелев, В.П. Ананьев, А.К. Ларионов, М.П. Лысенко, В.А. Королев, Е.М. Сергеев, В.Т. Трофимов, Я.Е. Шаевич и др. Многочисленные исследования показывают, что с ростом пористости просадочность лёссов при прочих одинаковых условиях увеличивается. Зави­симость коэффициента относительной просадочности лёссовых грунтов от их плотности является нелинейной и носит экспоненциальный характер, который для конкретных регионов может быть описан различными математическими функциями.

Большое влияние на просадочность оказывает влажность. Вода, поступая в поры грунта при его замачивании, выполняет роль смазки, облегчающей переориентацию частиц при их доуплотнении, а также ослабляет прочность структурных связей (переводя часть переходных контактов в коагуляционные) частично растворяя цементационные контакты и т. д. Поскольку лёссовые грунты в основном формируются и аридных климатических условиях, то недостаток влаги в них способствует сохранению их недоуплотненности, следовательно, и просадочности. С увеличением естественной влажности лёссовых грунтов их проса­дочность снижается, так как при этом грунт частично доуплотняется. Просадка зависит и от степени заполнения пор водой: с ростом степени влажности коэффициент относительной просадочности лёссовых грунтов закономерно и нелинейно снижается. Для большинства лессовых грунтов просадка возникает при степени влажности S_r<0,6–0,75.

При предварительной оценке к просадочным грунтам обычно относятся лессовые грунты со степенью влажности S_r≤0,8, для которых величина показателя I_ss меньше значений, приведенных в табл. 8.21 [92].

Таблица 8.21

_{Значения показателя Iss}

Число пластичности грунта Ip	1≤Ip<10	10≤ Ip<14	14≤ Ip<22
Показатель Iss	0,1	0,17	0,24

I_ss определяется по формуле:

где е – коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности; е_L – коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести (формула 5.4).

Предварительную оценку нормативных значений величины относительной просадочности грунтов при инженерно-геологических изысканиях для сооружений I и II уровня ответственности и окончательную их оценку для сооружений III уровня ответственности допускается выполнять также по их физическим характеристикам (табл. 8.22).

Таблица 8.22

Нормативные значения относительной просадочности грунтов [111]

Влажность w, %	Давление, p, МПа	Относительная просадочность εsl, при коэффициенте пористости е:
		0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1
8	0,1	0,008	0,012	0,016	0,020	0,024	0,029	0,033
	0,2	0,016	0,024	0,032	0,041	0,049	0,057	0,066
	0,3	0,020	0,031	0,042	0,053	0,064	0,074	0,085
12	0,1	0,004	0,008	0,012	0,016	0,020	0,025	0,029
	0,2	0,008	0,016	0,024	0,033	0,041	0,049	0,057
	0,3	0,010	0,021	0,031	0,042	0,053	0,064	0,075
16	0,1	0,000	0,004	0,008	0,012	0,016	0,021	0,025
	0,2	–	0,008	0,016	0,024	0,033	0,041	0,049
	0,3	–	0,010	0,021	0,032	0,043	0,053	0,064
20	0,1	–	–	0,004	0,008	0,012	0,017	0,021
	0,2	–	–	0,008	0,016	0,025	0,033	0,041
	0,3	–	–	0,010	0,021	0,032	0,043	0,054
24	0,1	–	–	–	0,004	0,008	0,012	0,017
	0,2	–	–	–	0,008	0,017	0,025	0,033
	0,3	–	–	–	0,011	0,022	0,032	0,043

При проектировании оросительных систем грунтовые условия строительных площадок, сложенных лессовыми просадочными грунтами, подразделяются на два типа. Просадочные толщи второго типа подразделяются дополнительно на три категории, согласно табл. 8.23.

Таблица 8.23

Типизация грунтов по просадке s_sl при природном давлении [11]

Тип	Категория	Просадка при природном давлении, см	Относительная просадочность при расчетном напряжении, МПа					Начальное давление просадки, МПа
			0,05	0,1	0,2	0,3	0,4
I	-	ssl ≤ 5	0	0-0,02	0,01-0,02	0,02-0,04	0,03-0,05	0,06-0,18
IIа	слабо-просадочные	5 < ssl ≤ 15	0-0,02	0,01-0,02	0,02-0,04	0,03-0,05	0,04-0,06	0,03-0,09
IIб	средне-просадочные	15 < ssl ≤50	0,01-0,03	0,02-0,04	0,04-0,06	0,05-0,07	0,06-0,08	0,01-0,05
IIв	сильно-просадочные	50 < ssl	0,03-0,05	0,04-0,06	0,06-0,08	0,07-0,09	0,08-0,11	0,007-0,03

Fooks и Best (1969 г.) предложили использовать индекс разрушения (collaps index): I_s=(е–e_p)/(e_L–e_p);Feda (1966 г.) предложил применение следующей формулы: I_s=((w/S_r) – w_p)/ I_p. Feda также предположил, что грунты с индексом превышающим 0,85 являются стабильными; по данным Northmore критическое значение индекса должно быть более 0,22, что больше подходит для оценки стабильности некоторых типов лессов [125].

Основания, сложенные просадочными грунтами, должны проектироваться с учетом их особенности, заключающейся в том, что при повышении влажности выше определенного уровня они дают дополнительные деформации просадки от внешней нагрузки и (или) от собственного веса грунта. При проектировании оснований, сложенных просадочными грунтами, должны учитываться:

а) просадки от внешней нагрузки s_sl,p, происходящие в пределах верхней зоны просадки h_sl,p, измеряемой от подошвы фундамента до глубины, где суммарные вертикальные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта равны начальному просадочному давлению или сумма этих напряжений минимальна;

б) просадки от собственного веса грунта s_sl,g, происходящие в нижней зоне просадки h_sl,g, начиная с глубины, где суммарные вертикальные напряжения превышают начальное просадочное давление p_sl или сумма вертикальных напряжений от собственного веса грунта и внешней нагрузки минимальна, и до нижней границы просадочной толщи;

в) неравномерность просадки грунтов s_sl;

г) горизонтальные перемещения основания в пределах криволинейной части просадочной воронки при просадке грунтов от собственного веса;

д) потеря устойчивости откосов и склонов;

е) дополнительные нагрузки вследствие образования в грунтовой толще водных куполов [111].