ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ

Лессовые породы занимают большие площади территории России, залегая на различных геоморфологических элементах земной поверх­ности. Сплошным покровом лессовые породы располагаются в цент­ральных и южных районах, на Западно-Сибирской низменности. Лессовые породы отсутствуют в поймах речных долин и на молодых террасах рек. Широкое распространение лессовые образования имеют на предгорных и горных равнинах (Предкавказье, склоны Северного Кавказа, Предалтайская равнина, склоны Алтая и др.).

Толщина лессовых отложений колеблется от нескольких до десят­ков метров, а в отдельных случаях даже более 100 м (Восточное Предкавказье). Наиболее распространенная толщина лессовых отло­жений 10—25 м, максимальная встречается, как на водоразделах, так и в понижениях рельефа.

Лессовые породы представлены суглинками, реже — супесями. Среди них различают лесс (первичное образование) и лессовидные суглинки (переотложенные первичные образования). Гранулометриче­ский состав их нередко бывает сходным, поэтому в строительном деле целесообразно пользоваться единым названием «лессовые грунты», подразделяя их по гранулометрическому составу на супеси, суглинки, глины. Для лессов типична однородность. Лессовидные суглинки обычно слоисты и могут содержать обломки различных пород.

Лессовые грунты бывают палевой, палево-желтой или желто-бурой окраски. Для них характерны следующие особенности:способность сохранять вертикальные откосы в сухом состоянии, быстро размокать в воде, высокая пылеватость (содержание фракции 0,05—0,005 мм более 50 % при небольшом количестве глинистых частиц), невысокая природная влажность (до 15—17 %); пористая структура (более 40 %) с сетью крупных и мелких пор, высокая карбонатность, засоление легко водорастворимыми солями.

Природная влажность лессовых грунтов связана, в основном, с климатическими особенностями районов. В областях недостаточного 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 анизотропность фильтрационных свойств. Водопроницаемость лессовых пород по вертикали нередко в 5—10 раз превышает значения водопроницаемости по горизонтали. При поступлении воды в лессовые толщи образуются скопления верховодок (или грунтовых 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.) Изменение влажности лессовых грунтов серьезно сказывается на сжимаемости, просадочности и сопротивлении сдвигу грунтов.

Среди лессовых пород по характеру влияния на них увлажнения 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 приложении нагрузок просадочных свойств не проявляют. Такие породы свойст­венны пониженным частям рельефа и наиболее северным районам распространения лессовых отложений. Непросадочными также явля­ются нижние части лессовых толщ и участки, ранее претерпевшие значительное обводнение.

Просадочность — явление, характерное для многих лессовых пород. На рис. 131 показан наиболее характерный случай геологического строения лессовой толщи, в верхней части которой залегают 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. Уплотнение пород приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания водой.

Рис. 131.

1- здание; 2- породы просадочные; 3 - то же непросадочные; 4-грунтовая вода; 5- участок, где появилась просадка.

Форма опускания зависит от особенностей источника замачивания. При точечных источниках (прорыв водопроводной сети, канализации и т. д.) образуются блюдцеобразные понижения. Инфильтрация воды через траншеи и каналы при­водит к продольным оседани­ям поверхности. Площадные источники замачивания, в том числе и при поднятии уровня подземных вод, при­водят к понижению поверх­ности на значительных территориях.

Вследствие опускания по­верхности земли здания и со­оружения претерпевают де­формации, характер и размер которых определяется вели­чинами просадок S, (рис. 133). Величина оседания поверхности (величина про­садки) может быть различной и колеблется от нескольких до десятков сантиметров, что зависит от особенностей замачивания толщи. Напри­мер, в Ростове-на-Дону просадка может составить 15—20 см, а в районе Терско-Кумской оросительной системы на Северном Кавказе —100— 150 см.

Рис. 133. Деформация здания (схема) на лессовых грунтах в результате просадки: 1— здание; 2 — лессовый грунт; S — величина просадки

Структура лессовых грунтов по своей прочности неодинакова рис.134. В одних случаях просадка происходит в основном в пределах деформируемой зоны основания от давления фундамента или другого вида внешней нагрузки, а просадка от собственного веса грунта отсутствует или не превышает 5 см.. Такие породы относят к I типу по просадочности. Грунты II типа просадочности, когда просадка возникает от собственного веса грунта просадочной толщи (в основном нижней ее части) и ее величина превышает 5см.

Рис. 134. Соотношение мощности просадочных и непросадочных грунтов в лессовых толщах I и II типа: П- грунты просадочные; Н— то же. Непросадочные

Важное значение в проявлении просадочного процесса имеет струк­турная прочность лессовых грунтов. При слабых и легко водораство­римых структурных связях просадка возникает через несколько часов, что характерно для фунтов I типа. Структуры фунтов I типа обычно более прочные. Кроме длительного, в течение ряда дней, воздействия водой для их разрушения необходимо более высокое давление (собст­венный вес грунта и вес здания, стоящего на нем). Из этого следует, что просадочный процесс возникает лишь при некотором для данного грунта давлении. Это давление назвали начальным просадочным давлением (P_SL). Для пород I типа оно составляет 0,13—0,2 МПа, для II типа —0,08—0,12 МПа. Значение начального просадочного давле­ния определяет деформируемые зоны в лессовой просадочной толще. В этих зонах происходит просадочное уплотнение пород. На рис. 135 показано, где образуются деформируемые зоны в породах I и II типа. В первом случае просадочная деформация возникает под фундаментом в зоне I Во втором случае, кроме зоны 1, просадка возникает еще в зоне 3, где она проявляется под действием собственного веса породы. В ряде случаев зона 2 вообще отсутствует и зона 1 сливается с зо­ной 3.

Рис. 135. Деформационные зоны в просадочных породах I и II типа: Ф — фундамент; 1 — верхняя деформируемая зона; 2 — переходная зона; 3 — нижняя деформиру­емая зона; П — породы просадочные; Н —то же, непросадочные

За количественную характеристику просадочности принимают ве­личину относительной просадочности грунта Еsl, 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 Еsl полу­чают по результатам лабораторных компрессионных испытаний

Esl = h – h₁ \ h₀

где h— высота образца с природной влажностью при заданном давлении; h₁ — высота образца после просадки в результате замачивания при том же давлении; hо—высота образца грунта при давлении, равном природному.

Начальное просадочное давление Рпр - минимальное давление, при котором проявляется просадочность в условиях полного водонасыщения грунта. При лабораторных исследованиях за Рпр принимают такое давление, при котором относительная просадочность равна 0.01

При значениях E_Sl более 0,01 породу относят к просадочной. По величине E_SL отдельных образцов опреде­ляют общую величину просадки S_пр данной лессовой толщи.

В полевых условиях величину S_np определяют методом штампа, который размешают на глубине подошвы будущего фундамента и передают на него необходимое давление и замачивают породу. Такого типа определения дают наиболее точные результаты.

Тип грунтовых условий (I или II) устанавливают на основе лабо­раторных испытаний по расчетной величине Snp, но более точные результаты можно получить лишь в полевых условиях путем замачи­вания лессовых толщ в опытных котлованах и наблюдением за про­садкой по реперам

При определении величины просадочной деформации грунта не следует забывать об осадке. Под весом сооружения грунт несколько уплотняется, происходит осадка сооружения. Величина осадки в зна­чительной степени зависит от природной влажности грунта—чем больше влажность грунта, тем больше он сжимается и тем больше величина осадки. Просадка проявляется уже как дополнительное к осадке уплотнение. Таким образом , деформация грунта складывается из «осадки — просадки». Для конкретных условий эта величина обыч­но постоянная. Соотношение между осадкой и просадкой может меняться. В более сухих грунтах осадка будет уменьшаться, а просадка возрастать, и наоборот.

Строительство на лессовых просадочных грунтах. В состоянии природной влажности и ненарушенной структуры лессовые грунты являются достаточно устойчивым основанием. Однако потенциальная возможность проявления просадки, что приводит к деформациям сооружений, требует осуществления различного рода мероприятий. Все мероприятия подразделяются на три группы:

1. водозащитные – отвод поверхностных вод, гидроизоляцию поверхности земли, устранению утечек воды из водопровода,
2. конструктивные - приспособление объекта к различным неравномерным осадкам, повышение жесткости стен, армирование зданий поясами, применение свайных, а так же уширенных фундаментов, передающих давление на грунт меньше чем Р. Маломощные просадочные грунты Н прорезаются глубокими фундаментами, в том числе свайными
3. устраняющие просадочные свойства пород-поверхностное уплотнение трамбовкой, замачиванием через скважины с последующим взрывом под водой.

ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ.

Песчаные грунты сложены угловатыми и окатанными обломками минералов, размером от 2 до 0,05 мм. Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов. В качестве примесей всегда присутствуют другие минералы — силикаты, глинистые и т. д. Пески на поверхности земли имеют широкое распространение, как на суше (речные и озерные пески), так и в морях (морские пески). Морские пески занимают большие площади, имеют многометровую мощность, чаще всего хоро­шо отсортированы по крупности частиц, нередко бывают мономинеральными, например, чисто кварцевыми. Речные пески (аллю­виальные) всегда локальны по площади распространения, маломощны, поли минеральны, не отсортированы, нередко имеют примесь глини­стых частиц и гумуса. Еще более разнообразны по своему залеганию и составу пролювиальные (предгорные) пески. Для них типично пересла­ивание песков с различной крупностью частиц. По форме залегания это прослои и линзы среди крупнообломочных грунтов.

Пески представляют собой массу частиц с механическими связями. Все дисперсные грунты состоят из частиц одной или, чаще всего нескольких фракций. Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами. Под гранулометрическим составом понимается количественное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т.е. гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Его определение ведется ситовым методом или отмучиванием. Содержание фракций при этом выражается в % по отношению к массе высушенного образца. Гранулометрический состав изображается в виде графика, по которому можно судить об однородности породы по крупности частиц. По крупности частиц пески разделяют на гравелистые, крупно-, сред­не- и мелкозернистые, пылеватые. На свойства песков влияют не только крупность и минеральный состав частиц, но и однородность их грансостава, от которого зависит их плотность сжимаемость, водопроницаемость.

Пористость песков в рыхлом состо­янии около 47 %, а в плотном—до 37%- Чем мельче песок, тем выше пористость, тем меньше поры по размеру, отсюда и фильтрационная способность песков уменьшается с уменьшением размеров его частиц. Рыхлое сложение легко переходит в плотное при водонасыщении, вибрации и динамических воздействиях. Плотность песков оценивается по значению коэффици­ента пористости е: плотное сложение (е < 0,60), средней плотности и рыхлое (е > 0,75). В табл. 22 и 23 показаны нормативные характери­стики песков четвертичного возраста.

Нормативные значения С, кПа, ф, град и Е, МПа, песков четвертичного возраста

1. Таблица 22

Пески по крупности зерен Характеристики Коэффициент пористости е, равный 0,45 0,55 0,65 0,75 Крупные С 2 1 -- -- ф 43 40 38 -- Е 50 40 30 --

Средние С 3 2 1 -- ф 40 38 35 -- Е 50 40 30 -- Мелкие С 6 4 2 -- ф 38 36 32 28 Е 48 38 28 18 Пылеватые С 8 6 4 2 ф 36 34 30 26 Е 39 28 18 11

За счет открытой пористости пески всегда водопроницаемы. В пылеватых песках кф не превышает 1 м/сут, в крупнозернистых —до 40—50 м/сут, а в гравелистых— 80—100 м/сут. В плотном сложении пески хорошо воспринимают нагрузки и рассеивают напряжение в основаниях под фундаментами. Модуль деформации песков колеблется от 10 до 50 МПа и закономерно снижается от крупнозернистых к пылеватым разновидностям песков., сопротивление сдвигу –достаточно высокое ,за счет величины внутреннего трения , на которое влияет характер поверхности частиц, которая может быть ровной и неровной , бугорчатой, полированной, трещиноватой и т.д. При больших нагрузках угол внутреннего трения песков равен углу их естественного откоса. Крутизна естественных откосов зивисит от крупности песка – чем крупнее, тем больше угол внутреннего трения, а следовательно и угол естественного откоса т. е. возрастает сопротивление сдвигу. Но если через откосы фильтруется вода , то их прочность снижается на 20-30 %. Песчаные грунты являются надежными основаниями для фундаментов сооружений.

2. Плывуны

Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, обычно пески, которые при вскрытии различными горными выработ­ками разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости.

Плывунные свойства, кроме песков, при определенных условиях могут проявлять пылеватые суглинки, супеси, т.е. породы, обладающие значительной пористостью.

Основной причиной проявления у пород плывунных свойств яв­ляется гидродинамическ ое давление поровой воды, которое создается в результате перепада (градиента) давления грунтовых вод при вскрытии котлована (траншей и т. д.). В связи с обычно малой водопроницае­мостью плывунных пород гидравлический градиент вызывает фильт­рационное давление на частицы породы, обуславливая их движение по направлению градиента или, иначе говоря, в сторону разгрузки, в котлован. Для определения критического значения градиента фильтрации I_кр, при котором порода переходит в плывунное состояние, рекомендуют формулу I_кр = (р—1)(1—n), где р —плотность грунта; n — пористость (в долях единицы).

В плывунном состоянии породы утрачивают всякие структурные связи. Частицы переходят во взвешенное состояние.

Интенсивность плывунных явлений в породах зависит от величины градиента, гранулометрического и минерального состава формы час­тиц, плотности породы и ряда других факторов.

Плывуны, находящиеся в покое, слабо отдают воду и мало водо­проницаемы.

Плывуны разделяют на ложные (псевдоплывуны) и истинные.

Ложные плывуны —это грунты, не имеющие структурных связей, различные пески и гравелистые отложения, переходящие в плывунное состояние под действием гидродинамического давления потока подземных вод.. Коэффициент фильтрации достигает 1—2 м/сут и более. Частицы породы находятся во взвешенном состоянии. Трение между ними сводится к нулю. Пески этого вида плывунов очень легко оплывают. Плотность в безводном состоянии колеблется от 1,5 до 1,75 т/м³. Вода светлая или слабо мутная. Взвешивающее действие воды при определенных условиях проявляется также в песках некоторых морских побережий, образуя так называемые зыбучие пески. Под действием гидродинамического давления во взвешенное состояние могут переходить не только пески, но некоторые другие рыхлые породы.

Характерной особенностью ложных плывунов является довольно легкая отдача ими воды. При высыхании они образуют рыхлую или слабо сцементированную массу.

Истинные плывуны — это породы с коагуляционными или смешан­ными связями в виде глинистых песков, а также супесей, суглинков. Структурные связи обусловлены присутствием глинистых (< 0,001 мм) частиц с высокими гидрофильными свойствами. Переход в плывунное состояние определяется невысоким гидродинамическим давлением и присутствием притягивающих к себе влагу (гидрофильных) глинистых частиц. Вокруг этих частиц формируются пленки связанной воды, что ослабляет структурное сцепление и уменьшает водопроницаемость пород. Значения коэффициента фильтрации очень низкие и колеблют­ся от 0,005 до 0,0001 см/с.

Плотность истинных плывунов в безводном состоянии равна 1,8— 2,2 т/м³. Разжижение плывунов происходит при влажности меньшей полной влагоемкости. Глинистые частицы окрашивают воды в серова­то-молочный цвет. При высыхании истинные плывуны вследствие склеивающего действия глинистых частиц образуют довольно сильно сцементированные массы. Характерной особенностью истинных плы­вунов является слабая отдача воды. Они «плывут» в основном за счет физически связанной воды.

В строительной практике важно определить способность породы переходить в плывунное состояние и вид плывуна. Это можно сделать по ряду внешних признаков и на основе лабораторных анализов.

Склонность породы переходить в плывунное состояние можно установить по величине водоотдачи, высокой пористости (более 43 %), по гидрофильности глинистых частиц и другим факторам. В полевых условиях способность к плывунности пород устанавливается по обра­зованию в скважинах при бурении водопесчаных «пробок».

Можно также использовать некоторые внешние призна­ки. Так, истинный плывун в котлованах дает скопление волы в виде «цементного» молока. Песок, взятый из котлована, имеет вид мало­влажного грунта, воду не отдает и постепенно оплывает в лепешку.

Плывуны осложняют строительство. Они создают большие труд­ности в проходке строительных выработок, стремясь заполнить выра­ботанное пространство. При условии замкнутого пространства плывуны могут быть надежными основаниями, но создать такой контур трудно. Возможно выпирание плывунов из-под фундаментов, что вызывает оползни, провалы поверхности, деформацию зданий и соо­ружений. Открытый водоотлив из котлованов опасен появлением суффозии на окружающей территории. Опасна подрезка склона, даю­щая выход плывунам.

Примером может служить случай со 100-метро­вым трамплином на Воробьевых горах в Москве. После строительства трамплина строители начали подрезать грунт в нижней части склона, чтобы придать ему необходимую кривизну для безопасного приземле­ния лыжников. Были вскрыты плывуны, которые стремительно запол­нили выемку и затопили экскаватор и вызвали оседание откоса. Плывуны очень чувствительны к вибрации и динамическим ударам, даже на значительно удаленных расстояниях от места возмущения.

Борьба с плывунами сложна и не всегда принятые меры дают желаемые результаты. В таких случаях приходится отказываться от устройств котлованов и применять свайный вариант фундаментов или подошву фундамента не доводить до слоя плывунных пород. В выборе метода борьбы важнейшее значение имеет вид плывуна.

Все способы борьбы с плывунами можно разделить на 3 группы:

искусственное осушение плывунных пород в период строитель­ства (открытая откачка воды из котлованов, иглофильтры и др.);

ограждение плывунов путем создания шпунтовых стен

закрепление плывунов путем изменения их физических свойств (силикатизация, цементация, замораживание и т. д.).

Для ложных плывунов применимы все способы борьбы. В борьбе с истинными плывунами можно использовать лишь ограждение, замо­раживание и электрохимическое закрепление. При проходке подземных выработок используют повышенное давление, уравновешивающее дав­ление воды плывуна.

Возможность осушения плывунов зависит от их коэффициента фильтрации. При к_ф > 1 м/сут откачку воды производят из скважин; при k < 1,0 - 0,2 м/сут следует использовать специальные установки — иглофильтры, позволяющие произвести осушение до глубины 5— 6 м и при иглофильтрах особой конфигурации —до 12—15 м и более. При к_ф < 0,2 м/сут иглофильтры применяют в сочетании с электродре­нажом.

Строительный котлован от плывуна можно оградить шпунтовой крепью, задача которой — перерезать слой плывунной породы и при­нять на себя ее давление. Забивка деревянного шпунта ограничивается глубиной 6—8 м, металлического —20—25 м. При наличии галечни­ков и прослоев плотных грунтов (мергели и др.) погрузить шпунт не удается.

Замораживание плывунов является временным и ненадежным ме­роприятием. Для этого используют или морозное время года, или специальные холодильные установки. В зимнее время проходку кот­лованов проводят поэтапно, после каждого периода промораживания грунта на глубину 20—30 см. Искусственное замораживание осущест­вляют вокруг котлована путем циркуляции в скважинах раствора СаС1₃, охлажденного до —20—40 С. Это создает вокруг котлована зону замороженного водопроницаемого грунта.

Силикатизация — нагнетание в плывуны жидкого стекла. Это воз­можно при достаточно высокой водопроницаемости плывунов (к_ф > 0,5 м/сут). Силикатизация требует больших затрат, но весьма эффек­тивна.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: