8.3.2.3. Определение характеристик деформации засоленных грунтов

Основания, сложенные засоленными грунтами, должны проектироваться с учетом их особенностей, обуславливающих образование при длительной фильтрации воды и выщелачивании солей суффозионной осадки.

Суффозионная осадка основания s_sf, сложенного засоленными грунтами, определяется по формуле [92]:

,

где ε_sf,i – относительное суффозионное сжатие грунта i^-го слоя при давлении p, равном суммарному вертикальному напряжению на рассматриваемой глубине от внешней нагрузки σ_zp и собственного веса грунта σ_zg; h_i – толщина i^-го слоя засоленного грунта; n – число слоев, на которое разбита зона суффозионной осадки засоленных грунтов.

Деформационные свойства засоленных грунтов характеризуют такие показатели как:

• абсолютное суффозионное сжатие Δh_sf, мм,

• относительное суффозионное сжатие ε_sf,

• начальное давление суффозионного сжатия p_sf, МПа.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в компрессионно-фильтрационных приборах, исключающих возможность бокового расширения образца грунта при нагружении его вертикальной нагрузкой.

В состав установки для испытания грунта на суффозионное сжатие должны входить: компрессионно-фильтрационный прибор с рабочим кольцом; механизм для вертикального нагружения образца грунта; устройства для измерения вертикальных деформаций образца грунта. Конструкция компрессионно-фильтрационного прибора должна обеспечивать: подачу воды к образцу грунта снизу (схема восходящего потока) или сверху (схема нисходящего потока); отвод воды, профильтровавшейся через образец грунта, и накопление ее в мерном сосуде; непрерывную на протяжении всего испытания фильтрацию воды, герметичность основных деталей прибора, первоначальную нагрузку на образец, создаваемую весом штампа и закрепленными на нем измерительными приборами.

Проведение испытания методом суффозионного сжатия в результате растворения и выноса солей при фильтрации воды. Kомпрессионно-фильтрационные испытания грунтов выполняют по схеме нисходящего или восходящего потока фильтрующей жидкости, а также при любых значениях градиента напора (i) при условии отсутствия механической суффозии. Испытания засоленных грунтов следует выполнять по схемам [30]:

• «одной кривой» (при испытании одного образца грунта) – для определения характеристик сжимаемости грунта природной влажности при различных давлениях, относительной просадочности и относительного суффозионного сжатия при одном заданном значении давления;

• «трех кривых» (при испытании трех образцов грунта) – для определения характеристик сжимаемости грунта природной влажности при различных давлениях, относительной просадочности и относительного суффозионного сжатия.

При испытании по схеме «одной кривой» нагрузку на образец грунта природной влажности производят ступенями нагружения до заданного давления p аналогично компрессионному испытанию. После условной стабилизации деформации образца грунта при давлении p его необходимо замочить водой, продолжая замачивание до условной стабилизации просадки по [30]. После окончания просадочных деформаций или в случае их отсутствия следует начать непрерывную фильтрацию воды через образец (при заданном давлении p) до условной стабилизации суффозионного сжатия.

Испытание по схеме «трех кривых» проводят на трех образцах грунта ненарушенного сложения, отобранных из одного монолита и отличающихся по плотности сухого грунта не более чем на 0,05 г/см³, или на трех образцах нарушенного сложения, имеющих одинаковые (заданные) степень засоленности и плотность сухого грунта.

Один образец испытывают при природной влажности, при этом нагрузку на образец грунта производят ступенями нагружения до заданного давления p.

Второй образец надлежит перед нагружением замочить до полного водонасыщения и затем прикладывать нагрузку на образец ступенями нагружения до заданного давления. После условной стабилизации сжатия водонасыщенного грунта необходимо начать непрерывную фильтрацию воды через образец (при заданном давлении p) до условной стабилизации суффозионного сжатия.

Третий образец следует замочить до полного водонасыщения (без передачи нагрузки на образец грунта и без применения арретира) и затем производить выщелачивание солей (рассоление грунта) путем непрерывной фильтрации воды или жидкости заданного состава через образец. После условного рассоления грунта необходимо прикладывать нагрузку на образец ступенями до заданного давления p, поддерживая образец в водонасыщенном состоянии.

За критерий условного рассоления грунта (β₁) при выщелачивании солей без нагрузки (при испытании по схеме «трех кривых») следует принимать значения β₁ приведенные в табл. 8.26.

За критерий условной стабилизации суффозионного сжатия грунта при заданном давлении p следует принимать приращение относительной деформации Δε_sf, не превышающее 0,001 при приращении степени выщелачивания солей Δβ_t=0,1, а также при условии, что степень выщелачивания солей β_t составляет не менее 0,6.

Таблица 8.26

Значение критерия условного рассоления грунта

Содержание водорастворимых солей, %	Значение критерия условного рассоления β1, д.ед.
	Песок	Супесь	Суглинок
< 5	0,80	0,65	0,60
5–10	0,85	0,70	0,65
11–20	0,90	0,80	0,75
21–30	0,95	0,90	0,85
> 30	1,00	0,95	0,90

После начала фильтрации воды через образец грунта показания индикаторов деформаций следует регистрировать в первый час через 15 мин, далее – через час (но не менее пяти раз) в течение рабочего дня, затем один раз в день при испытании грунтов, содержащих легкорастворимые соли, и один раз в два-три дня при испытании грунтов, содержащих среднерастворимые соли.

В процессе выщелачивания солей необходимо отбирать фильтраты для определения в них количества солей по массе плотного остатка: первый фильтрат – после сбора 50 мл жидкости, второй – через 2–3 сут., далее – один раз в неделю при испытании грунтов, содержащих легкорастворимые соли, и один раз в две недели – при испытании грунтов, содержащих среднерастворимые соли.

После завершения испытания рабочее кольцо с влажным грунтом взвешивают, производят контрольное измерение высоты образца грунта в кольце, определяют влажность грунта и массу сухого грунта, а также состав солей.

Для определения характеристик m₀, E и p_str по результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

• абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта (Δh), мм, как среднее арифметическое показаний измерительных приборов за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора;

• относительную вертикальную деформацию образца грунта (ε) по формуле:

где h_ng – высота образца грунта при давлении, равном напряжению от собственного веса грунта на глубине отбора образца за вычетом абсолютной деформации при этом давлении.

По вычисленным значениям строят график зависимости ε=f (σ) (рис. 8.22, а). В случае набухания засоленного грунта при испытании по схеме «трех кривых» необходимо определить свободное относительное набухание ε_sw, а точку, соответствующую ε_sw включить в график ε =f(σ) откладывая ее на оси ординат вверх от оси абсцисс.

	Условные обозначения (рис. а и в): 1 – относительное сжатие грунта природной влажности, 2 – относительное сжатие грунта в водонасыщенном состоянии и 3 – относительное сжатие грунта выщелоченного без нагрузки в зависимости от давления; 4 – относительное сжатие грунта в результате замачивания (относительная просадочность) при заданном давлении, 5 – относительное суффозионное сжатие грунта при фильтрации воды и заданном давлении, 6 – деформация грунта при набухании εsw, 7 – зависимость относительного суффозионного сжатия εsf от давления psf – начальное давление суффозионного сжатия)
	Условные обозначения (рис. б): 1 – зависимость относительного суффозионного сжатия от степени выщелачивания солей, получаемая в процессе проведения испытания при D>D0; 2 – зависимость относительного суффозионного сжатия от степени выщелачивания солей, при D<D0; 3 – откорректированная зависимость
Рис. 8.22. Оформления результатов испытания засоленного грунта при сжатии в компрессионно-фильтрационном приборе: а) график ε=f(σ) (по схеме «одной кривой»), б) график εsf=f(βt); в) график ε=f(σ) (по схеме «трех кривых») [30]

Относительное суффозионное сжатие грунта ε_sf при испытании по схеме «одной кривой» и при наличии просадочных деформаций следует определять как дополнительное относительное сжатие образца грунта при заданном давлении и непрерывной фильтрации воды по формуле:

где Δh_sf – суффозионное сжатие грунта при постоянной фильтрации и заданном давлении (абсолютное суффозионное сжатие), мм; h_sat,p – высота образца замоченного грунта при заданном давлении, мм; h_sf,p – высота образца грунта после сжатия в условиях постоянной фильтрации жидкости при заданном давлении, мм.

Относительное суффозионное сжатие грунта ε_sf при испытании по схеме «одной кривой» и при отсутствии просадочных деформаций следует определять по формуле:

где h_p – высота образца грунта природной влажности при заданном давлении, мм.

Относительную просадочность ε_sf для различных давлений при испытаниях по схеме «трех кривых» следует определять как разность значений относительного сжатия образцов в водонасыщенном состоянии ε_sat,p и природной влажности ε_w или разность ординат соответствующих кривых графиков ε=f(σ).

Относительное суффозионное сжатие ε_sf для различных давлений при испытании по схеме «трех кривых» следует определять как разность значений относительного сжатия образцов выщелоченного грунта и в водонасыщенном состоянии или разность ординат соответствующих кривых графика ε=f(σ). По значениям ε_sf следует строить график зависимости относительного суффозионного сжатия от давления.

Hачальное давление суффозионного сжатия p_sf, МПа следует определять по графику зависимости относительного суффозионного сжатия от давления ε_sf=f(σ) принимая за p_sf давление, при котором относительное суффозионное сжатие составляет 0,01 (рис. 8.22, в). Относительное суффозионное сжатие вычисляют с точностью 0,001, начальное давление суффозионного сжатия – с точностью 0,02 МПа.

В процессе компрессионно-фильтрационного испытания грунта при непрерывной фильтрации воды и заданном давлении p следует строить график зависимости относительного суффозионного сжатия ε_sf от степени выщелачивания солей β_t д. ед. (рис. 8.22, б), определяемой по формуле:

где k – число определений плотного остатка фильтрации за время испытаний; V_w– объем воды, профильтровавшейся через образец грунта за период между двумя последующими определениями плотного остатка, л; – среднее арифметическое значение двух последующих определений плотного остатка фильтратов за вычетом плотного остатка фильтрующей жидкости, г/л; D_sal – степень засоленности грунта (принимают по результатам определений средней степени засоленности монолита, из которого вырезают образец грунта), д. ед.; m₀ – масса сухого образца грунта перед началом испытаний, г.

После окончания компрессионно-фильтрационного испытания, а также после выщелачивания солей без нагрузки и последующего загружения образца следует произвести корректировку графика ε_sf=f(β_t) подставляя в формулу для расчета β_t вместо значения D_sal значение начальной степени засоленности образца грунта D_0,sal:

где m_f – масса сухого образца грунта после окончания испытания, г; D₁ – степень засоленности образца грунта после окончания испытания, д. ед. [30].

Для предварительных расчетов суффозионной осадки основания сооружений I и II уровней ответственности и для окончательных расчетов сооружений III уровня ответственности допускается определять значение относительного суффозионного сжатия _sf, глинистых загипсованных грунтов, если они представлены:

• суглинками с w = 0,02–0,04; I_L=0,08–0,12; _d =1,2–1,6 г/см³; е = 0,75–1,1;

• супесями с w = 0,01–0,03; I_L= 0,03–0,07; _d = 1,4–1,45 г/см³; е = 0,9–1,0,

по формуле:

_sf = k₁d₀_d ⁿ/_g,

где k₁ – коэффициент, зависящий от вида грунта, содержания гипса и давления, принимается по табл. 8.27; d₀ – начальное содержание гипса в грунте, д. ед; _d – начальная плотность сухого грунта, г/см³; _g – плотность частиц гипса, г/см³;  – степень выщелачивания, д. ед.; п – коэффициент, принимаемый для суглинков равным 1, для супесей – 1/3 [92].

Для предварительных расчетов нормативные значения суффозионного сжатия загипсованных суглинков и супесей также допускается определять по табл. 8.28.

Таблица 8.27

Значения коэффициента k₁ для разных видов грунтов

Вид грунта	Содержание гипса, д. ед	Коэффициент k1 при давлении, МПа
		0,1	0,2	0,3	0,4
Супесь	0,1	0,86	0,70	0,52	0,43
	0,2	0,95	0,90	0,83	0,76
	0,3	0,97	0,95	0,90	0,85
Суглинок	0,1	0,08	0,15	0,30	0,46
	0,2	0,15	0,27	0,50	0,84
	0,3	0,45	0,60	0,80	1,10
	0,4	0,85	0,96	1,07	1,30
	0,5	1,08	1,15	1,22	1,38

Таблица 8.28

Нормативные значения плотности сухого грунта, коэффициента фильтрации и относительного суффозионного сжатия загипсованных суглинков и супесей [111]

Грунт	Степень засоления	Содержание гипса, %	Плотность сухого грунта ρd, г/см3	Коэффициент фильтрации kф, см/с	Относительное суффозионное сжатие, sf
суглинок	Незагипсованный	<5	1,60–1,65	10–7	<0,005
	Слабозагипсованный	5–10	1,55–1,60	10–6–10–7	0,005–0,01
	Среднезагипсованный	10–20	1,45–1,55	10–5–10–6	0,10–0,05
	Сильнозагипсованный	20–35	1,40–1,50	10–4–10–5	0,05–0,18
	Избыточнозагипсованный	>35	1,25–1,40	10–3–10–4	>0,18
супесь	Незагипсованный	<5	1,45–1,55	10–6	<0,01
	Слабозагипсованный	5–10	1,40–1,50	10–5–10–6	0,01–0,03
	Среднезагипсованный	10–20	1,35–1,45	10–4–10–5	0,04–0,10
	Сильнозагипсованный	20–30	1,35–1,40	10–3–10–4	0,10–0,17
	Избыточнозагипсованный	>30	1,30–1,40	10–3–10–4	>0,17

Согласно [111] основания, сложенные засоленными грунтами, должны проектироваться с учетом их особенностей, обуславливающих:

• образование суффозионной осадки s_sf при длительной фильтрации воды и выщелачивании солей;

• изменение в процессе выщелачивания солей физико-механических свойств грунта, сопровождающееся, как правило, снижением его прочностных характеристик;

• повышенную агрессивность подземных вод к материалам подземных конструкций за счет растворения солей, содержащихся в грунте.

Следует также иметь в виду, что в засоленных грунтах при их замачивании может проявляться просадка или набухание.