Грунты особого состояния, состава и свойств (специфические грунты)

К ним относят многолетнемерзлые, просадочные, набухающие, органоминеральные и органические, засоленные, элювиальные и техногенные грунты (СНиП 11-02–96 «Инженерные изыскания для строительства»).

От других типов грунтов они отличаются неблагоприятными со строительной точки зрения свойствами, а потому требуют более детального инженерно-геологического изучения. В районах распространения специфических грунтов проводятся дополнительные инженерно-геологические исследования, которые регламентируются специальным Сводом правил – СП 11-105–97, часть III.

Для обеспечения необходимой устойчивости и нормальной эксплуатации зданий и сооружений, возводимых на специфических грунтах, применяют различные водозащитные и конструктивные мероприятия, а также меры по ликвидации самих неблагоприятных свойств – просадочности, набухания, сильной сжимаемости и др.

Многолетнемерзлые грунты. Одним из важнейших факторов, определяющих инженерно-геологические условия в северных и восточных районах России, является широкое распространение в них многолетнемерзлых (синоним – вечномерзлых) грунтов.

Следует различать многолетнемерзлые и сезонномерзлые грунты. Сезонномерзлый грунт находится в мерзлом состоянии лишь периодически в течение холодного периода года. В мерзлом состоянии он имеет отрицательную температуру, содержит лед и характеризуется криогенными структурными связями. В теплое время грунт оттаивает. Это явление называется сезонным промерзанием.

Глубина сезонного промерзания грунтов зависит от климатических особенностей района, состава пород, мощности снегового покрова и от других факторов. Величина промерзанияколеблется от долей метра до 3–4 м.

В СНиП 2.01.01–82 «Строительная климатология и геофизика» приведена карта нормативной глубины сезонного промерзания грунтов на территории нашей страны. С ее помощью определяют величину сезонного промерзаниядля конкретных районов и проектируют фундаменты таким образом, чтобы глубина их заложения превышала величину сезонного промерзания. Это важно, так как при оттаивании весной мерзлый грунт теряет свою несущую способность и становится неустойчивым основанием. Глубину сезонного промерзания определяют также по расчетным формулам и по итогам многолетних наблюдений за глубиной промерзания в данной местности.

Общие представления о многолетнемерзлых грунтах. Согласно ГОСТ 25100–95 к ним относятся грунты, которые в условиях природного залегания находятся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Зона развития многолетнемерзлых грунтов называется криолитозоной или зоной многолетней мерзлоты.

Зона многолетней мерзлоты занимает 64% площади России и 25% суши земного шара.

Специфичность многолетнемерзлых грунтов заключается в том, что в них постоянно содержится лед. При повышении температуры (выше 0°С) мерзлый грунт оттаивает, и его прочность резко снижается, качественно изменяются и другие свойства, особенно в пылевато-глинистых грунтах. Под зданиями образуются своеобразные «чаши» протаивания.

Просадочные грунты – пылевато-глинистые грунты, которые при замачивании дают просадку (дополнительную вертикальную деформацию). В отличие от обычной осадки, просадка приводит к коренному изменению структуры грунта.

Просадка свойственна, прежде всего, лессовым суглинкам и супесям. Лишь в отдельных случаях она может возникать в пылеватых песках с высокой структурной прочностью, а также в некоторых техногенных грунтах (отходы промышленного производства, насыпные грунты и др.).

Значение лессовых грунтов в строительной практике трудно переоценить. Занимая огромные площади (как правило, в районах наиболее обжитых и густонаселенных), они нередко служат причиной недопустимых деформаций зданий и сооружений. Во многих случаях это связано с недостаточным учетом их специфических особенностей и в первую очередь – просадочности.

Лёссовые (нем. – рыхлый, несвязный) грунты имеют широкое распространение в мире, особенно в Европе и Азии, занимая площадь около 13 млн. км².

Механизм просадки может быть представлен следующим образом. Вода, проникая в маловлажную высокопористую пылеватую лессовую породу, разрушает водонеустойчивые структурные связи, при этом происходит ее доуплотнение, пористость уменьшается и приходит в соответствие с напряженным состоянием. Крупные агрегаты распадаются, и формируется более плотная упаковка частиц.

Внешне этот процесс выражается в уменьшении объема лессовых пород и неравномерном оседании поверхности земли. На поверхности водоразделов, сложенных лессовыми породами, при увлажнении их атмосферными осадками часто формируются просадочные блюдца размерами до 50–100 м в поперечнике и глубиной от долей метра до 1–2 м.

Несравненно больше просадочные деформации лессовых пород выражены при техногенном замачивании (утечки воды из оросительных каналов, водохранилищ, водонесущих коммуникаций, при интенсивном поливе парков и садов и т. д.).

Особенно интенсивно процесс доуплотнения лессовых грунтов происходит при техногенном замачивании и одновременном приложении нагрузки. В этих случаях просадка имеет обычно провальный характер и может достигать нескольких десятков сантиметров. В зданиях и сооружениях вследствие неравномерной просадочной деформации могут появляться трещины и более серьезные повреждения.

Согласно СНиП 2.02.01–83*, грунтовые условия строительных площадок, сложенных лессовыми просадочными грунтами, подразделяются на два типа:

I тип – грунтовые условия, в которых просадка от собственного веса грунта отсутствует или не превышает 5 см; просадка возможна в основном от внешней нагрузки.

II тип – грунтовые условия, в которых, помимо просадки грунтов от, внешней нагрузки, возможна их просадка от собственного веса и величина ее превышает 5 см.

Тип грунтовых условий устанавливают, исходя из величины относительной просадочности грунтов (е_sl), числа слоев и мощности каждого просадочного слоя.

Наиболее достоверно I или II тип грунтовых условий определяется путем длительного замачивания опытных котлованов (в течение 1–3 месяцев) и наблюдений за просадкой грунтов с помощью поверхностных и глубинных марок.

Строительство на лессовых просадочных грунтах. Согласно СНиП 2.02.01–83* «Основания зданий и сооружений», при возможности замачивания грунтов основания следует предусматривать одно из следующих мероприятий:

а) устранение просадочных свойств грунтов в пределах всей просадочной толщи;

б) прорезку просадочной толщи глубокими фундаментами, в том числе свайными и массивами из закрепленного грунта;

в) комплекс мероприятий, включающий частичное устранение просадочных свойств грунтов, а также водозащитные и конструктивные мероприятия.

Набухающие грунты – грунты, которые при замачивании увеличиваются в объеме и имеют относительную деформацию набухания без нагрузки ε _sw > 0, 04. При высыхании набухающие грунты уменьшаются в объеме, т. е. дают усадку, часто сопровождаемую образованием трещин усадки. Процесс набухания – усадки грунтов обратим: чем больше набухание, тем больше будет усадка.

Набухающие грунты (главным образом это глины, значительно реже тяжелые суглинки) распространены на всех континентах. В России набухающие грунты занимают значительные площади, в основном в южных районах страны с засушливым климатом.

Наибольшим набуханием (а следовательно, и наибольшей опасностью при строительстве) обладают переуплотненные слабоцементированные глины, формирующиеся в условиях засушливого климата в мелководных бассейнах и содержащие в своем составе монтмориллонит – глинистый минерал с подвижной кристаллической решеткой.

Строительство на набухающих грунтах. Анализ деформаций различных зданий и сооружений, а также натурные наблюдения, проведенные в нашей стране и за рубежом, позволили установить, что набухание и усадка грунтов происходят в основном в результате:

— техногенного замачивания (утечки из водонесущих коммуникаций, фильтрация воды из каналов и др.);

— сезонного изменения влажности набухающих грунтов под влиянием климатических факторов (увлажнение в период с октября–ноября до мая–июня и высыхание в летний период);

— изменение условий испарения влаги после застройки и асфальтирования территории.

Деформации усадки могут быть связаны также с искусственной подсушкой грунтового основания – доменными печами, дымовыми трубами и др. и транспирацией влаги деревьями.

Для обеспечения надежной эксплуатации зданий и сооружений, возведенных на набухающих грунтах, согласно СНиП 2.02.01–83*, применяют комплекс различных мер. В их число₁ входят: 1) водозащитные мероприятия для предотвращения локального замачивания грунтов основания; 2) замена набухающего грунта местным ненабухающим, уплотненным до заданной плотности; 3) применение компенсирующих подушек, выравнивающих неравномерности подъема ленточных фундаментов при локальном замачивании основания; 4) полная или частичная прорезка набухающего грунта фундаментами, в оптимальном варианте – буронабивными сваями с уширенной пятой.

К конструктивным мероприятиям относят устройство железобетонных поясов, разрезку здания осадочными швами на отдельные отсеки и др. В ряде случаев надстройка 1–2 этажами деформированных малоэтажных зданий может оказаться эффективным мероприятием.