8.3.2.2. Определение характеристик деформации набухающих грунтов

При проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами, следует учитывать возможность их набухания за счет увлажнения. При последующем понижении влажности у набухающих грунтов происходит обратный процесс – усадка. Подъем основания в результате набухания грунта определяется в предположении, что осадки основания от внешней нагрузки стабилизировались.

Подъем основания при набухании грунта h_sw определяется по формуле:

где ε_sw,i – относительное набухание грунта i^-го слоя, h_i – толщина i^-го слоя грунта; n – число слоев, на которое разбита зона набухания грунта, коэффициент k_sw берется в зависимости от суммарного вертикального напряжения σ_tot на рассматриваемой глубине принимается равным: 0,8 при σ_tot =0,05 МПа и 0,6 при σ_tot =3 МПа, а при промежуточных значениях σ_tot – по интерполяции [92].

Набухающие грунты характеризуются следующими показателями:

• давлением набухания p_sw, МПа,

• влажностью грунта после набухания w_sw, д. ед.,

• относительным набуханием при заданном давлении ε_swр,

• относительной усадкой при высыхании ε_sh.

Показатели набухания грунта и давления набухания следует определять в компрессионных приборах [140] используя испытания:

• по прямому методу определения давления набухания,

• по методу компенсирующих нагрузок (компенсационный метод),

• по косвенному методу определения давления набухания (метод арретирного хода),

• по методу свободного набухания.

Испытание по прямому методу определения давления набухания. В процессе испытания происходит условная стабилизация напряжений в грунте, возникающих вследствие набухания грунта при водонасыщении. Во время стабилизации напряжений показания датчиков записываются через 15 секунд; 30 секунд; 1; 2; 5; 10 ; 20; 30 минут и далее через каждый час, а также по завершении стабилизации.

Испытание по прямому методу определения давления набухания (метод компенсирующих нагрузок). Грунты после влагонасыщения начинают расширяться, и если деформация набухания превысит заданное значение, то к образцу грунта будет приложена ступень нагрузки. В процессе испытания производится циклическое нагружение образца ступенями заданной величины с заданным интервалом времени. Во время нагружения осуществляется контроль текущей нагрузки и деформации. Испытание заканчивается, если процессы набухания грунта начинают затухать и за заданное время стабилизации не было приложено ни одной ступени нагружения.

Испытание по косвенному методу определения давления набухания (метод арретирного хода). В процессе испытания производится циклическое нагружение образца ступенями заданной величины с заданным интервалом времени. Во время нагружения осуществляется контроль текущей нагрузки и деформации. Испытание заканчивается, когда значение текущей деформации превысит заданную предельную величину, либо при превышении максимальной нагрузки, на которую рассчитано испытательное устройство.

Испытание по методу свободного набухания. В процессе испытания происходит условная стабилизация напряжений в грунте, возникающих вследствие набухания грунта. Показания датчиков во время стабилизации напряжений записываются с интервалами 15 секунд; 30 секунд 1; 2; 5; 10; 20; 30 минут и далее через каждый час, а также по завершении стабилизации. Если испытание производится с вертикальной нагрузкой, то производится циклическое нагружение образца заданными ступенями вертикальной нагрузки до тех пор, пока величина вертикальной деформации не превысит нулевую отметку. После каждой ступени нагружения дожидаются условной стабилизации деформации грунта, во время стабилизации показания датчиков записываются до завершения стабилизации, когда величина деформации грунта превысит нулевую отметку [140].

Проведение испытания по прямому методу определения давления набухания. Характеристики набухания определяют по результатам испытаний образцов грунта в приборах свободного набухания (ПНГ) и в компрессионных приборах при насыщении грунта водой или химическим раствором.

Диапазон давлений, при которых проводят испытания на набухание под нагрузкой, определяется в программе испытаний с учетом передаваемых нагрузок на основание и давления набухания грунта.

Образцы грунта природного сложения для испытаний свободного набухания, набухания под нагрузкой и усадки следует вырезать из одного монолита грунта. Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или водонасыщенные или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образец должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 71 мм и отношение диаметра к высоте от 2,8 до 3,5. Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/5 высоты образца. Не допускается использовать для испытаний глинистые грунты, содержащие крупнообломочные включения более 5 мм.

Образцы грунта при испытании на набухание следует заливать грунтовой водой, взятой с места отбора грунта, водной вытяжкой или водой питьевого качества, допускается применение дистиллированной воды и искусственно приготовленных растворов заданного химического состава. Испытание производят до прекращения поглощения образцом грунта воды.

Набухание грунта под нагрузкой определяют в компрессионных приборах. При определении свободного набухания часть образца с помощью вкладыша – шаблона выдавливают из рабочего кольца и срезают ножом так, чтобы высота оставшегося образца была не менее 10 мм. Образец грунта в рабочем кольце покрывают с двух сторон фильтрами и помещают в компрессионный прибор.

Затем проводят следующие операции: регулируют механизм нагружения образца в компрессионном приборе; устанавливают устройства для измерения вертикальных деформаций образцов; записывают начальные показания устройств.

Характеристики набухания глинистого грунта нарушенного сложения следует определять на образцах с заданными значениями плотности и влажности.

При определении набухания грунта под нагрузкой начальные ступени давления должны быть: на первом компрессионном приборе – около 0,0025 МПа, что соответствует давлению от массы штампа и смонтированного на нем измерительного оборудования; на втором – 0,025 МПа; на третьем – 0,05 МПа; на четвертом – 0,1 МПа. Далее давление повышают в каждом приборе ступенями 0,1–0,2 МПа до необходимых пределов. Диапазон давлений, при которых проводят испытания, определяется в программе испытаний или принимается в пределах полуторного значения проектного давления на грунт.

После нагружения образцов грунта в компрессионных приборах их выдерживают до условной стабилизации деформаций, после чего их замачивают, залив жидкость в поддон.

После замачивания образцов регистрируют деформации через 5; 10; 30; 60 мин, далее через 2 ч в течение рабочего дня, а затем в начале и конце рабочего дня до достижения условной стабилизации деформаций. В случае отсутствия набухания замачивание производят в течение трех суток.

За начало набухания следует считать относительную деформацию (ε), превышающую 0,001. За критерий условной стабилизации деформаций свободного набухания грунтов или деформаций набухания под нагрузкой при данной ступени давления в компрессионных приборах следует принимать деформацию не более 0,01 мм за 16 ч. После завершения набухания образца грунта необходимо: слить жидкость из прибора; кольцо с влажным грунтом (без фильтров) взвесить и произвести контрольное измерение высоты образца грунта в кольце; грунт из кольца высушить в термостате при температуре (105 ± 2)°С.

По вычисленным значениям при испытании в компрессионных приборах строят график зависимости относительных деформаций набухания от вертикального давления ε_sw=f(σ). Точки графика, соответствующие различным давлениям, соединяют плавной кривой. Значение давления, соответствующее точке пересечения кривой с осью давления (σ) (рис. 8.21, а) или точке предполагаемого пересечения продолжения кривой графика ε_sw = f(σ) с осью давления (σ) (рис. 8.21, б), равно давлению набухания р_sw. Давление набухания допускается определять, измеряя возникающее усилие набухания замоченного образца путем компенсации деформаций набухания.

Закономерности величин набухаемости глинистых грунтов, находящихся под нагрузкой, зависят от тех же факторов, что и свободное набухание. К внешним факторам набухаемости грунтов относятся внешнее давление и температура. Как следует из теории «расклинивающего давления» и экспериментальных данных, «осмотическое» набухание в глинистых грунтах можно ограничить или совершенно предотвратить с помощью приложения внешнего давления, которое численно будет равно давлению набухания грунта (р_sw). Относительная величина набухания глинистых грунтов изменяется в зависимости от давления по экспоненциальному закону, причем наиболее резкое уменьшение ее происходит при давлении до 0.2 МПа.

Рис. 8.21. Графики зависимости набухания грунта ε_sw от давления σ при испытании в компрессионном приборе: а) p_sw – установленная величина давления набухания; б) p_sw – предполагаемая величина давления набухания

Величины давления набухания в глинистых грунтах в среднем изменяются от 0 до 1,5 МПа и характеризуются в основном «осмотическим» давлением в поровом растворе активных обменных катионов ДЭС при концентрации раствора электролита меньше 0,1 н.

Кроме того, имеет значение цикличность приложения и снятия нагрузки при набухании глинистых грунтов, так как при этом после снятия нагрузки первоначальная набухаемость грунта полностью не восстанавливается – име­ет место гистерезис «компрессии-рекомпрессии», уменьшающийся с рос­том циклов нагрузки и разгрузки грунта; при многократном повторении этих циклов петли гистерезиса практически сливаются. Это явление связано с доуплотнением грунта под давлением, разрушением более крупных пор и дос­тижением более плотного сложения образца, когда частицы начинают кон­тактировать через тонкие пленки воды, обладающие особыми структурно-пластическими свойствами [50].

Предварительную оценку нормативных значений относительной деформации набухания ε_sw грунтов (главным образом монтмориллонитовых и палыгорскитовых глин, в меньшей степени – гидрослюдистых и каолинитовых глин) в зависимости от их плотности в сухом состоянии и влажности при инженерно-геологических изысканиях для сооружений I и II уровня ответственности, а также окончательную их оценку для сооружений III уровня ответственности допускается выполнять в соответствии с табл. 8.24 [111], а величину давления набухания – по табл. 8.25.

Таблица 8.24

Значений величины свободного набухания

Влажность, w, д. ед.	Величина свободного набухания esw (д. ед.) при плотности в сухом состоянии, г/см3
	1,5		1,6		1,7	1,8	1,9		2,0
0,02		0,09	0,11		0,14	0,17	Г	0,19	0,22
0,04		0,08	0,10		0,13	0,16		0,18	0,21
0,06		0,07	0,09		В	0,15		0,17	0,20
0,08		0,06	0,09			0,14		0,16	0,19
0,1		0,05	0,08	Б	0,10	0,13		0,15	0,18
0,12		0,04			0,09	0,12		0,14	0,17
0,14	А	0,03	0,06		0,08	0,11		0,13	0,16
0,16		0,02	0,05		0,07	0,10	0,12		0,15
0,18		0,01	0,04		0,06	0,09	0,11		0,14
0,20		0,00	0,03		0,05	0,08	0,10		0,13
А – ненабухающие; Б – слабонабухающие; В – средненабухающие; Г – сильнонабухающие грунты

Таблица 8.25

Значений величины давления набухания

Свободное набухание, д. ед.	Давление набухания, МПа	Свободное набухание, д.ед.	Давление набухания, МПа
0,04	0,02	0,14	0,21
0,06	0,05	0,16	0,25
0,08	0,09	0,18	0,29
0,10	0,13	0,20	0,33
0,12	0,17	0,22	0,37

При изысканиях для предпроектной документации допускается оценивать набухаемость грунтов по коэффициентам пористости е и e_L, (коэффициенты пористости образца, соответственно, с природной влажностью и влажностью на границе текучести, см. формулу 5.4) и относить к набухающим грунтам глинистые грунты при условии [111]:

<–0,4.

При проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами, следует учитывать возможность [111]:

• набухания грунтов за счет подъема уровня подземных вод или инфильтрации – увлажнения грунтов производственными или поверхностными водами;

• набухания грунтов за счет накопления влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушения природных условий испарения при застройке и асфальтировании территории (экранирование поверхности);

• набухания и усадки грунта в верхней части зоны аэрации – за счет изменения водно-теплового режима (сезонных климатических факторов);

• усадки за счет высыхания от воздействия тепловых источников.