что такое структурно неустойчивые грунты

Классификация грунтов – особенности структурно-неустойчивых грунтов

Перед строительством фундамента (неважно, что вы планируете построить: одно-, двух- или трехэтажный частный дом), обязательно нужно определить типы грунта, его характеристики, а также произвести расчеты на возможные нагрузки, которое сможет выдержать основание. Лучше, если вы закажете инженерно-геологические услуги, но, если не позволяют условия или финансовая возможность, то хотя бы изучите грунт самостоятельно и проведите минимальные расчеты.

В этой статье мы разберем, что такое грунт, какие его разновидности определяют строительные нормы, и какие типы грунта подпадают под разряд «не повезло».

Состав и строение грунта

Прежде чем разбирать разновидности грунтов нужно понимать, что такое грунт, основной его состав, чтобы лучше в дальнейшем понять его структуру и свойства. В разъяснении нам поможет замечательное пособие С. А. Пьянкова «Механика грунтов», а также ГОСТ.

Разновидности грунта согласно ГОСТ 25100-2011

Все грунты можно классифицировать по гранулометрическому составу на:

Упростим сложную и подробную классификацию, приведенную выше:

По классификации гранулометрического состава, приведенной ниже в таблице несложно определить размерность частиц.

Если вы по какой-то причине не можете отнести в лабораторию пробы грунта (например, нет в вашем городе лаборатории), то без лаборатории, так сказать «в полевых условиях», грунт можно диагностировать по описанию в следующей таблице:

Для того, чтобы у вас было представление о том, как выглядят суглинок, супесь, глинистая почва, песчаная почва приведем следующее изображение:

Есть некоторые способы, по которым можно определить типы грунта, гранулометрический их состав, а также некоторые их характеристики, вроде плотности, влажности, но для этого вам придется проводить опыты (которые, к слову, мы бы не советовали вам проводить самостоятельно, проще обратиться в лабораторию, и заниматься тем, что у вас отлично получается, предоставив лабораторные опыты специалистам, которые смогут замерить физ.свойства грунтов, их состав наиболее точно, без больших погрешностей).

Проблемные, сложные грунты

Если вы несчастливый обладатель подобных грунтов на участке, будьте внимательны и бдительны, много раз подумайте, прежде чем строить, а лучше проконсультируйтесь со специалистом и обязательно сделайте анализ грунта на участке, если еще не сделали.

Далее рассмотрим, как выглядят определенные разновидности грунта, и разберем их основные характеристики. Не будем рассказывать о валунах, гальке, щебне, вы сможете отличить такой тип грунта, видели неоднократно.

Расскажем о других типах, которые зачастую бывают проблемными, теряя свою прочность под внешним воздействием, например, напитываясь водой, или соединяясь с другими грунтами и их примесями.

Такие грунты — структурно-неустойчивые грунты, то есть изменяющие свою структуру под внешними влияниями, просадочные грунты.

Мерзлые и вечномерзлые

Мерзлые грунты имеют температуру ниже нуля, в том или ином виде содержат в составе частицы льда. После нахождения в мерзлом состоянии от 3 лет и больше такие грунты уже приобретают свойства вечномерзлых грунтов.

В замерзшем состоянии мерзлые и вечномерзлые грунты очень прочные, не подвержены деформациям, так как связующие их криогенные структуры повышают первоначальную прочность.

В процессе таяния полностью меняется структура и физико-механические свойства, происходят серьезные деформации. Некоторые грунты даже становятся жидкими после оттаивания.

Основная особенность всего класса мерзлых грунтов — просадочность при таянии, когда происходит масштабное уменьшение объема грунта. Вечномерзлые грунты — достаточно проблемный тип грунта для проектирования и строительства.

Какой фундамент выбрать? Это можно определить только после определения всех необходимых расчетных деформационо-прочностных характеристик в процессе лабораторных испытаний.

Заглубление фундамента в этом случае осуществляется на основании расчетной глубины сезонного промерзания грунта d_f и уровню подземных вод, которые образуются в процессе оттаивания.

Необходимо застраивать площади на вечномерзлой земле только по одному из вариантов, а не так, что сосед выбирает холодный первый этаж, а вы — сваи.

Стоить отметить, что широко используемые в северном строительстве сваи тоже подвержены негативному воздействию: напорному давлению вод при промерзании грунта; хим. агрессивности воды оттаявшего слоя; появлению трещин из-за температурных деформаций.

Известняки

Известняки, как и другие грунты из группы скальных осадочных карбонатных пород, в сухом виде — прочные, а при намокании грунтовыми водами ее теряют.

Одна из разновидностей известнякового грунта – мергель, который представляет собой микс из известняка и глины.

В случае залегания пласта известняка на участке необходимо определить его пористость и продумать отвод поверхностных вод. В таком неблагоприятном случае многие прибегают к использованию свайного фундамента. Советуем не импровизировать, лучшим вариантом для вас будет консультация с хорошим специалистом геологом, инженерные изыскания в данном случае обязательны.

Лёссовые грунты, лёссы, лессовые суглинки

Нельзя сказать с точностью, каким образом появились такие грунты, ученые до сих пор об этом спорят. Лёссовые породы относятся к структурно-неустойчивым грунтам (но не все из них просадочные).

Такой тип очень распространен на протяжении больших территорий в России, Украине, Европе, причем лёссом занято более 80 % территории Украины. Залегание такого типа грунта обычно располагается сразу под почвенным покровом, в верхних слоях.

Лессовые грунты обычно светло-желтого или светло-коричневого цвета (его еще называют палевый цвет), или же даже буро-желтого.

Лессовые грунты содержат больше воздуха, чем твердых частиц, содержат множество макропор, пористость до 60%. Больше 60 процентов частиц – мелкие пылеватые, также содержится глина и в меньшей степени песок.

На изображениях ниже можно рассмотреть характерное для лёссовых пород наличие вертикальных «бороздок», прожилок или канальцев. Такие макропоры в виде трубочек доходят в диаметре до 3 мм.

Различают типичные лёссы и лессовые суглинки. Лёссовые суглинки содержат больше глины, чем типичные лёссы, им присущ более темный цвет, иногда красновато-бурый. Лёссовые суглинки менее пористые и, следовательно, более плотные, менее просадочные.

В обычном состоянии лессовые отложения весьма прочные, способны выдерживать большие нагрузки, но при увлажнении прочность теряется, возникают дополнительные просадочные деформации от нагрузки – как внешней, так и от собственного веса.

Чтобы определить степень просадки лёсса, его в лабораторных условиях уплотняют под давлением, а затем подвергают замачиванию.

Органоминеральные и органические грунты — торфы, заторфованные, сапропели

Торфяники распространены в Подмосковье, на востоке и северо-востоке. Они относятся к слабым грунтам, с присущей низкой прочностью.

Заторфованный грунт отличается от торфа процентным соотношением содержанием органического вещества – содержание больше 50% органики говорит о торфе, а содержание от 10 до 50% орган.остатков говорит о том, что перед нами заторфованный грунт, на основе песчаного грунта или глинистого.

Какие характеристики присущи торфам и заторфованным грунтам?

Помимо градации по количественному содержанию торфа органоминеральные и органические грунты делятся на:

Также важно значение степени разложения торфяных грунтов – степень разложения слагаемых его растительных остатков – гумуса.

Очень важно оценить и характер залегания торфосодержащих пород:

Напластование, имеющее в составе торф и заторфованные грунты — одно из наихудших оснований, так как приводит к дальнейшим деформациям и просадкам.

Нельзя возводить фундамент с непосредственным опиранием его на сильнозаторфованные грунты, торфы, сапропели и ил.

Мероприятия по укреплению неустойчивых органических и органикоминеральных грунтов описаны в СП 22.13330.2011 разделе 6.4 «Органоминеральные и органические грунты».

В числе мероприятий замена нейстойчивого грунта средне- или крупнозернистым песком, гравием (что может быть очень дорого, например, в виду высокой мощности слоя торфа), а также можно прибегнуть к строительству свайного фундамента с опиранием свай на слой грунта с высокими прочностными характеристиками.

Нельзя забывать, что в органических грунтах очень агрессивная среда для бетона и металла, поэтому нежелательно использовать стальные сваи, нужно позаботиться об изоляции свай для продлевания срока использования строения.

Набухающие

К таким грунтам можно отнести некоторые разновидности глиносодержащих грунтов. Набухающие грунты имеют свойство увеличиваться в объемах при контакте с водой, им также свойственна усадка при высыхании. Показатель влажности на пределе текучести, а также число пластичности у таких грунтов весьма высокие, природная влажность 3 % органики и >30% мелких частиц менее 0,01мм, с текучей консистенцией IL> 1, коэффициентом пористости е ≥ 0,9.

Какие варианты фундаментов используют в строительстве?

Стоит отметить, что имеет место быть процесс кольматации песка (естественное попадание мелких частиц, особенно глинистых и пылеватых в поры и трещины оснований) при устройстве песчаных подушек, свай, что со временем снижает устойчивость и прочность фундаментов.

Насыпные

Насыпные грунты относятся к так называемым техногенным грунтам, их особенностью является то, что они имеют нарушенную структуру.

К их основным характеристикам относятся:

Насыпные грунты могут самоуплотняться, продолжительность этого процесса различна, в зависимости от разновидности насыпи. Примерный срок самоуплотнения приведен в СП:

Уровень прочности насыпных грунтов повышается с помощью их уплотнения различными способами:

Засоленные

Засоленные грунты в России распространены примерно на 10 процентах всей территории, преимущественно в Крыму, на Кавказе, а также Западно-Сибирской низменности.

Засоленные грунты при фильтрации воды подвергаются выщелачиванию. Вода растворяет соли, способствуя увеличению пористости. Основания грунтов в конечном итоге подвержены суффозионной осадке. При увлажнении засоленных грунтов изменяются их физико-механические свойства: плотность, прочность, деформируемость и водопроницаемость. К тому же еще одна опасность засоленных грунтов — агрессивность воды с растворенными в ней солями к стройматериалам, бетону.

Засоленные грунты в замоченном состоянии могут быть набухающими или просадочными. Все расчеты по засоленным грунтам доверьте специалистам.

Каким бы сложным грунт ни был на вашем участке, современные технологии строительства могут обеспечить вам прочную постройку на любом основании. Но только при условии полноценного инженерно-геологического обследования, проведения всех необходимых расчетов на основании этого исследования. Обладая знанием о всех возможных нагрузках на основание и будущее сооружение, можно сделать экономически целесообразный выбор подходящего по всем параметрам фундамента, который не даст трещины и деформации.

Если вы уже знаете, какой грунт у вас на участке, мы предлагаем вам воспользоваться калькулятором фундамента для расчета количества материалов и допустимых параметров конструкции.

Источник

Структурно-неустойчивые грунты

Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, протекающих, как правило, с большой скоростью.

К структурно неустойчивым относят мерзлые, вечномерзлые, лёссовые, набухающие, слабые водонасыщенные глинистые грунты, засоленные грунты, насыпные грунты, торфы и заторфованные грунты.

Воздействия на структуру грунта делят на физические и механические.

Физические – это изменение количества воды, замораживание, оттаивание, нагрев грунта.

Механические – действия нагрузок собственного веса, вибрационные воздействия от работающих механизмов и ударные воздействия.

Мерзлые и вечномерзлые грунты.

Грунты всех видов относят к мерзлым грунтам, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед.

Вечномерзлыми называют грунты, которые находятся в мерзлом состоянии непрерывно в течение многих лет (трех и более).

Мерзлые и вечномерзлые грунты в естественном состоянии при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми грунтами.

При замораживании и оттаивании вечно мерзлые грунты меняют свои структурные свойства. Основной особенностью таких грунтов являются их просадочность при оттаивании.

Лёссовые грунты.

Лёссовые грунты по своей структуре и составу значительно отличаются от других видов грунтов. У лёссовых грунтов размер пор значительно превышает размер твердых частиц, такие грунты по-другому называют макропористыми.

В естественном состоянии лёссовые грунты обладают значительной прочностью за счет цементноционных связей и могут держать откосы высотой до 10 метров.

При увлажнении лёссовых грунтов цементноционные связи нарушаются, что приводит к разрушению макропористой структуры.

Разрушения связи сопровождаются потерей прочности грунта и возникающей просадкой.

Набухающие грунты.

К набухающим грунтам относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных минералов.

Набухающие грунты характеризуются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой при высыхании.

Увеличение влажности возможно за счет подъема уровня грунтовых вод, накопления влаги от сооружений и нарушения природных условий, испарения воды.

Уменьшение влажности в основном связано с технологическими и климатическими факторами.

Слабые водонасыщенные грунты.

К слабым водонасыщенным грунтам относят илы, ленточные глины и другие виды глинистых грунтов, характерными особенностями которых являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и высокая деформированность.

Иламиназываются водонасыщенные современные осадки (морские, озерные, речные, лагунные, болотные), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов.

Структура илов легко разрушается при статических нагрузках и еще легче – при динамических.

Ленточные глины, или ленточные отложения, – это толща грунта, состоящая из переслаивающихся тонких слоев и тончайших прослоек песка, супеси, суглинка и глины.

Суммарная мощность таких отложений может достигать 10 и более метров.
В природном состоянии такая толща имеет высокую пористость и большую влажность, что приводит к низкой прочности и большой деформации.

Торфы и заторфованные грунты.

Торф – это органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных остатков. Состав болотных остатков в них – не менее 50%.

Песчаные пылеватые глинистые грунты, состоящие из 10–50 % болотных остатков, называются заторфованными.

Состав и свойства таких грунтов зависят от степени разложения органических веществ.

Торф относится к сильно сжимаемым грунтам.

Схема напластования, имеющая в составе торф и заторфованные грунты, является одним из наихудших типов оснований (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Типовые схемы напластования, имеющие в составе торф или заторфованные грунты:

I – в пределах всей сжимаемой толщи основания залегают торф или заторфованные грунты;
II – в верхней части сжимаемой толщи основания залегает слой торфа или заторфованного грунта;
III – в нижней части сжимаемой толщи основания залегают торфы или заторфованные грунты;
IV – сжимаемая толща в пределах пятна застройки здания включает односторонне (IV, a), двусторонне (IV, б) вклинившиеся линзы или содержит множество линз (IV, в) из торфов или заторфованных грунтов; V – в пределах глубины сжимаемой толщи находится одна (V, а) или несколько прослоек (V, б) торфа или заторфованного грунта, границы которых в плане выходят за пределы пятна застройки здания

Засоленные грунты.

К засоленным грунтам относятся крупнообломочные песчаные грунты, имеющие в своем составе большое количество легко- и среднерастворимых солей. Химическая суффозия солей (недостаток).

Защитные материалы, водозащитные мероприятия, защита от коррозии.

Насыпные грунты.

К насыпным грунтам относятся грунты природного происхождения с нарушенной структурой, а также отходы промышленного производства. Свойства таких грунтов очень различны и зависят от многих факторов (вид исходного материала, степень уплотнения, однородность и т. д.).

Источник

ВОПРОС 30. Структурно-неустойчивые грунты. Их свойства и распространение

Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, протекающих, как правило, с большой скоростью. К основным воздействиям относятся увлажнение грунтов, промерзание и оттаивание, суффозия и выветривание, внешние нагрузки, перемятие грунтов и др.

Такое название они получили потому, что при определенных условиях их природная структура сравнительно резко нарушается. К структурно-неустойчивым относятся следующие грунты:

— лессовые, структура которых нарушается при замачивании их под нагрузкой;

— набухающие, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой;

— засоленные, песчано-глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования

сильносжимаемые грунты, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры;

— торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью;

— мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании.

Лессовые просадочные грунты широко распространены в Среднем и Нижнем Поволжье, Западной Сибири, на Северном Кавказе и в других районах страны.

Набухающие грунты имеют широкое распространение. Такие грунты распространены в Египте, Бирме, США, ЮАР, а в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы. В странах СНГ такие группы встречаются в Казахстане, Грузии, Азербайджане, Украине, России (Поволжье, Северный Кавказ и других районах).

Характерной особенностью набухающих грунтов является резкое снижение их несущей способности при замачивании.

Засоленные грунты широко распросфанены в Прикаспийской низменности, Центральном Поволжье, Западной и Восточной Сибири. К засоленным грунтам относятся песчано-глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования. При оценке грунтов важно знать содержание в них водорастворимых солей.

Торфы и заторфованные грунты представляют собой грунты органогенного происхождения, образовавшиеся в болотах в результате накопления и разложения растительных остатков в условиях затрудненного доступа воздуха.

Специфическими особенностями заторфованных грунтов являются во-донасыщенность, большая сжимаемость, медленное протекание осадок во времени, анизотропия и изменчивость характеристик под нагрузкой.

К заторфованным относятся песчаные и глинистые грунты, содержащие в своем составе 10—50% (по массе) органических веществ. При содержании органических веществ 50% и более грунт называется торфом.

Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на немерзлые (талые), мерзлые и вечно-мерзлые.

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры.

При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Источник

Структурно-неустойчивые грунты, их особенности как основания для строительства

Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, протекающих, как правило, с большой скоростью. К основным воздействиям относятся увлажнение грунтов, промерзание и оттаивание, суффозия и выветривание, внешние нагрузки, перемятие грунтов и др.

Такое название они получили потому, что при определенных условиях их природная структура сравнительно резко нарушается. К структурно-неустойчивым относятся следующие грунты:

— лессовые, структура которых нарушается при замачивании их под нагрузкой;

— набухающие, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой;

— засоленные, песчано-глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования

сильносжимаемые грунты, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры;

— торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью;

— мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании.

Лессовые просадочные грунты широко распространены в Среднем и Нижнем Поволжье, Западной Сибири, на Северном Кавказе и в других районах страны.

В зависимости от увлажнения лессы различным образом ведут себя под действием внешней нагрузки. Так, в «сухом» состоянии (ω≤0,09) лессы отличаются значительной прочностью и относительно высокой несущей способностью. В таком состоянии они выдерживают давление на грунт Р≤0,4МПа при небольших осадках и способны сохранять достаточно большую высоту вертикального откоса.

Просадочные грунты характеризуются:

относительной просадочностью εsl — относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания (см. п. 4.10);

начальным просадочным давлением Psl — минимальным давлением, при котором проявляются просадочные свойства грунтов при их полном водонасыщении;

начальной просадочной влажностью ωsl — минимальной влажностью, при которой проявляются просадочные свойства грунтов.

Относительная просадочность грунта определяется в компрессионных приборах по методу одной или двух кривых (ГОСТ 23161—78).
По методу одной кривой (рис. 5.18,а,б) испытывают пробу грунта естественной влажности при заданном давлении. После стабилизации осадки грунт насыщают водой, замеряя просадку, и испытание продолжают уже для водонасыщенного грунта.

По методу двух кривых (см. рис. 5.18,в) компрессионным испытаниям подвергают две пробы грунта: одну — при естественной влажности, вторую — при полном водонасыщении, после чего строят графики зависимости е, ∆h=ƒ(P). На кривых (см. рис. 5.18,а) различают три области деформирования просадочных грунтов: область ab, соответствующую сжатию грунта в ненарушенном состоянии; область bc, характеризующую просадку грунтов, и область cd — уплотнение грунта с ненарушенными структурными связями. По кривым e, Δh=ƒ(P) просадочных грунтов непосредственно определяют значение изменения коэффициента пористости грунта при просадке ∆εsl а также относительную просадочность εsl,по формуле (4.5).

Рис. 5.18. Компрессионные кривые просадочного грунта: а, б — по методу одной кривой, соответственно, пылевато-глинистых при замачивании и рыхлых песчаных при вибрации; в — по методу двух кривых; 1 — для грунта естественной влажности; 2 — для грунта, насыщенного водой

Согласно СНиП 2.02.01—83* расчетным состоянием просадочных грунтов по влажности является полное водонасыщение Sr> 0,8.

Относительная просадочность грунта при его неполном водонасыщении (ωsl≤ω≤ωsat) определяется по формуле

(5.34)

где εsl — относительная просадочность при полном водонасыщении

Начальное просадочное давление Psl — это давление, при котором относительная просадочность esl = 0,01, т.е. при котором грунт считается просадочным. Если провести серию компрессионных испытаний лессового грунта с замачиванием образцов при различных нагрузках, то нетрудно получить график зависимости относительной просадочности от давления (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Зависимость относительной просадочности от нормального давления лессового суглинка Георгиевска (1) и Ростова-на-Дону (2) (по Я.Д. Гильману, 1991): Δ — метод одной кривой; х — метод двух кривых

За начальную просадочную влажность ωsl по аналогии принимается влажность, при которой в условиях заданных давлений esl = 0,01.
Ее значения зависят от напряженного состояния грунта, природной плотности и прочности структурных связей. С увеличением давления на грунт начальная просадочная влажность уменьшается.

Значения модуля общей деформации лессового грунта изменяются в широком интервале. Это обусловлено тем, что они существенно зависят от исходной влажности и пористости грунта. В качестве примера в табл. 5.6 приведены систематизированные значения модуля деформации лессовых суглинков Ростовской области. Данными табл. 5.6 можно воспользоваться в том случае, когда отсутствуют результаты штамповых испытаний грунта с учетом прогнозируемой его влажности.

Таблица 5.6. Значения модуля деформации лессовидных суглинков в диапазоне нормативных давлений 0,1—0,3 МПа (по Я.Д. Гильману, 1991)

Просадка как деформация зависит (рис. 5.20) от минералогического и гранулометрического составов грунта, его влажности, плотности и напряженного состояния, поэтому для каждого лессового грунта определяют просадочность при давлениях, которые он будет испытывать в основании под сооружением.

Рис. 5.20. График зависимости относительной просадочности от Ip, е и Sr: а — от числа пластичности; б — от коэффициента пористости; в — от степени влажности

Набухающие грунты имеют широкое распространение. Такие грунты распространены в Египте, Бирме, США, ЮАР, а в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы. В странах СНГ такие группы встречаются в Казахстане, Грузии, Азербайджане, Украине, России (Поволжье, Северный Кавказ и других районах).
Характерной особенностью набухающих грунтов является резкое снижение их несущей способности при замачивании.

Набухающие глинистые грунты характеризуются следующими параметрами:

давлением набухания Psω;

влажностью набухания ωsω;

относительным набуханием при заданном давлении εsω;

относительной усадкой при высыхании εsh.

Эти характеристики определяются в лабораторных условиях согласно ГОСТ 24143-80.

Давлением набухания Psω грунта называют то минимальное давление, при котором грунт не набухает.

Давление набухания развивается в глинистом грунте как реакция внешней нагрузке, передаваемой на грунт от сооружения или выщелачивающей толщи грунта. Это давление может достичь 0,8 МПа и возникает в основании гидротехнических сооружений после пуска в них воды, что приводит к деформациям этих сооружений, вследствие неравномерного поднятия фундамента на разных участках.

За влажность набухания ωsω принимается влажность, полученная после завершения набухания образца, обжатого без возможности бокового расширения заданным давлением Р. С увеличением плотности грунта влажность набухания уменьшается.

Набухаемость грунтов оценивают коэффициентом относительного набухания εsω, который находят испытанием грунта в одометре, и нагружают давлением, которое ожидается на данной глубине с учетом давления от возводимого сооружения. Затем в одометр подают воду. В результате чего происходит набухание образца грунта, т.е. поршень одометра будет перемещаться вверх. По данным испытания можно построить кривую (рис. 5.21,а).

Рис. 5.21. Зависимости деформаций набухающего грунта (а) и относительного набухания (б) от нормального давления

При экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима относительное набухание находят по формуле

(5.35)

где k — коэффициент, определяемый опытным путем, а при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 2;
ωeg — конечная (установившаяся) влажность грунта;
ω0 — начальная влажность грунта;
ε0 — начальное значение коэффициента пористости грунта.

Значения относительного набухания зависят от плотности и начальной влажности грунта. С увеличением начальной влажности образца грунта набухание снижается тем быстрее, чем больше ωо.

Снижение прочностных характеристик при набухании происходит у всех набухающих грунтов. После набухания грунта модуль деформации уменьшается в несколько раз, что наглядно видно из табл. 5.7. Также видно, что модуль деформации набухающих глин, определенный в лабораторных условиях, значительно ниже, чем определенный при полевых испытаниях.

Таблица 5.7. Значения модуля деформации набухающих глин до и после замачивания (по Е.А. Сорочану, 1989)

Так, для глины природной влажности модуль деформации по полевым данным больше, чем по лабораторным, в 2,3—2,7 раза, а для увлажненной — в 3,0—3,3 раза.

Засоленные грунты широко распросфанены в Прикаспийской низменности, Центральном Поволжье, Западной и Восточной Сибири. К засоленным грунтам относятся песчано-глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования. При оценке грунтов важно знать содержание в них водорастворимых солей.

В соответствии с классификацией В.П. Петрухина (1989) к засоленным относятся грунты, минимальное содержание в которых водорастворимых (легко- и среднерастворимых) солей от массы абсолютно сухого грунта, составляет:

При замачивании засоленных грунтов наблюдаются:

появление суффозионной осадки при длительной фильтраци;

набухание или просадка грунта;

снижение прочностных характеристик грунта;

повышение агрессивности подземных вод.

К легкорастворимым солям относятся: хлориды — NCI, СаСl2; сульфаты — Na2SO4 и карбонаты натрия — NaHCO3 и Na2CO3; к среднерастворимым — гипс CaSO4 · 2H2O и ангидрид CaSO4. Карбонаты растворяются трудно и медленно, поэтому особого влияния на свойства грунтов не оказывают, однако они могут способствовать созданию горизонтов агрессивных вод, которые разрушительно влияют на подземные конструкции зданий и сооружений.

Причинами, приводящими к засолению грунтов, являются:

недостаточное увлажнение в результате преобладания испарения над осадками;

наличие в грунтах или грунтовых водах повышенного количества солей;

малая проницаемость грунтов или наличие водоупорных прослоек;

несовершенство систем орошения;

техногенное воздействие на гидросферу застроенных или застраиваемых территорий;

фильтрация через грунты растворов химических веществ производственных отходов из накопителей, шламонакопителей, отвалов.

Засоленные глинистые грунты характеризуются относительным суффозионным сжатием εsƒ и начальным давлением суффозионного сжатия Psƒ.

Величина относительного суффозионного сжатия должна определяться, как правило, по данным испытаний засоленных фунтов с длительным замачиванием.

Значение εsƒ при компрессионно-фильтрационных испытаниях определяется по формуле

(5.36)

где hsat,p — высота образца после замачивания его до полного водонасыще-ния при некотором давлении Р;
hsƒ,p — высота того же образца после длительной фильтрации воды и выщелачивания солей при давлении Р;
hg — высота образца природной влажности при давлении от собственного веса.фунта на рассматриваемой глубине σzg.

При полевых испытаниях засоленных грунтов статической нагрузкой с длительным замачиванием значение εsƒ определяется по формуле

(5.37)

где Ssƒ,p — суффозионная осадка штампа при давлении Р;
dp — зона суффозионной осадки.

За начальное давление суффозионного сжатия Рsƒ принимается давление, При котором εsƒ= 0,01.

Маловлажные и сухие грунты при увлажнении резко изменяют свои деформационные, прочностные и фильтрационные свойства из-за выноса солей. В качестве примера на рис. 5.22 показано влияние изменения влажности засоленных грунтов и выщелачивания солей на модуль деформации.

Рис. 5.22. Зависимость модуля общей деформации засоленных глинистых грунтов от влажности (а) и выщелачивания солей (б)

Как видно из рис. 5.22, рассматриваемые грунты при естественной влажности (ω = 0,08) и природном содержании солей (d0 = 5,7%) имеют высокий модуль деформации. При увеличении влажности (см. рис. 5.22,а) или выщелачивании солей (см. рис. 5.22,6) снижение модуля деформации составляет 4—10 раз и более (по СБ. Ухову и др., 1994).

Выщелачивание водорастворимых соединений приводит к уменьшению плотности и устойчивости грунтов, а также к увеличению их водопроницаемости. Фильтрующая через грунт вода становится агрессивной по отношению к бетону, раствору и металлу.

Торфы и заторфованные грунты представляют собой грунты органогенного происхождения, образовавшиеся в болотах в результате накопления и разложения растительных остатков в условиях затрудненного доступа воздуха.

Специфическими особенностями заторфованных грунтов являются во-донасыщенность, большая сжимаемость, медленное протекание осадок во времени, анизотропия и изменчивость характеристик под нагрузкой.

К заторфованным относятся песчаные и глинистые грунты, содержащие в своем составе 10—50% (по массе) органических веществ. При содержании органических веществ 50% и более грунт называется торфом.

Поскольку биогенные слабые грунты (сапропели, заторфованные и торфяные) содержат значительное количество органического вещества J, % (или Jот, долях единицы), то их разделяют по этой составляющей (рис. 5.23). Как видно из рис. 5.23, влияние содержания органических веществ в грунте на изменение влажности существенно для нормальнозольных торфов.

Рис 5.23. Зависимость природной влажности от содержания органических веществ в слабых грунтах (по Л.С. Амаряну, 1990)

Так как сапропели (пресноводный ил) по содержанию органических веществ захватывают области как торфяных (J ≥ 50%), так и заторфованных грунтов (J 50%. Сапропели, как правило, имеют коэффициент пористости более 3, а показатель текучести более 1.

Различие в структуре и дисперсности твердой фазы слабых грунтов не позволяет по величине J оценить однозначно изменчивость их прочностных показателей.
На рис. 5.24 показаны изменения предельного сопротивления сдвигу т, определенные крыльчаткой в полевых условиях, в зависимости от J (по Л.С. Амаряну, 1990). Как видно из рис. 5.24, при одинаковых значениях прочность сапропелей и торфов по величине тотличается в 4—5 раз. Данные рис. 5.24 позволяют установить классификационные отличия между торфяными, заторфованными грунтами и сапропелями.

Рис. 5.24. Зависимость сопротивления сдвигу слабых органоминеральных фунтов от содержания органических веществ

Эти грунты имеют низкую прочность. Так, у сапропелей угол внутреннего трения φ близок к нулю, а удельное сцепление С в зависимости от степени уплотненности и минерализации находится в пределах 0—20 кПа. У погребенных торфов в зависимости от степени разложения эти характеристики составляют: φ = 10-22°; С = 10—30 кПа (по СБ. Ухову и др., 1994).

Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на немерзлые (талые), мерзлые и вечно-мерзлые.

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Если неминерализованная вода замерзает при 0 °С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры.

При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта.

Если наблюдать за образцом глинистого грунта (по Б.И. Далматову, 1988), помещенного в морозильную камеру, то при изменении температуры полученная кривая будет иметь четыре участка (рис. 5.25).

Первый участок аb соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Второй участок bc характеризует резкое повышение температуры грунта, что связано с кристаллизацией части воды в образце грунта до значения Тbƒ, соответствующего началу замерзания. Третий участок cd, параллельный оси времени t, характеризует резкий переход большей части воды в лед. На четвертом участке de происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего фунта, т.е в этот период замерзает вода, не замерзшая при значении Тbƒ.

В зависимости от вещественного состава и температурно-влажностны условий мерзлые фунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

Рис. 5.25. График процесса замерзания фунта во времени (по Б.И. Далматову, 1988)

К твердомерзлым относят грунты, характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузкой. Под действием нагрузок от сооружений такие фунты практически не сжимаются (модуль деформации Е > 100 МПа), так как сцементированы льдом.

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты с суммарной влажностью ωtot > 0,03, а также песчаные и глинистые, если их температура ниже значений, приведенных в табл. 5.8, при которых грунт переходит из пластичного в твердомерзлое состояние.

Таблица 5.8. Температура перехода грунта из пластичного в твердомерзлое состояние

Пластичномерзлыми являются грунты, сцементированные льдом, но имеющие вязкие свойства и характеризуемые сжимаемостью под нагрузкой. К ним относятся песчаные и пылевато-глинистые грунты с температурой, вышеуказанной в табл. 5.8. Они характеризуются достаточной сжимаемостью (Е 0,17*0,950,900,630,580,55* Примечание. Вся вода в порах грунта не замерзает.

Мерзлые грунты, как и глины, характеризуются не только вещественным составом, но и определенным строением, т.е. размером, формой, характером пространственного взаиморасположения составных частей. Для мерзлых грунтов различают следующие основные текстуры: слитную, слоистую и ячеистую.

Слитная (массивная) текстура (рис. 5.26,а) характеризуется отсутствием видимых невооруженным глазом ледяных тел (линз, прослоек и т.д.) в грунте. Грунты слитной текстуры в мерзлом состоянии обладают, как правило, высокой прочностью, а при оттаивании их прочностные свойства снижаются в меньшей степени, чем у грунтов со слоистой или ячеистой текстурами.

Рис. 5.26. Основные виды текстуры мерзлых грунтов: а — слитная (массивная); б — слоистая; в — ячеистая (сетчатая)

Слоистая текстура (см. рис. 5.26,б) возникает при одностороннем, медленном промерзании преимущественно глинистых грунтов, обладающих высокой влажностью. Грунты со слоистой текстурой обладают достаточно высокой прочностью, но при оттаивании их прочностные показатели резко падают.

Ячеистая (сетчатая) текстура (рис. 5.26,в) возникает в тех случаях, когда ледяные тела различного размера, формы и ориентировки образуют более или менее непрерывную сетку или решетку.

Из механических свойств мерзлых грунтов наибольшее значение имеют величина относительного сжатия εth при переходе мерзлого грунта в талое состояние и сопротивление сжатию (σсж).

Относительное сжатие определяют путем испытания грунта в компрессионном приборе и рассматривают по формуле

(5.41)

где hƒ и hth — высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

При оценке механических свойств расчетное сопротивление сжатию (σсж) засоленных мерзлых грунтов принимают по табл. 5.10, а сцепление (с) мерзлых грунтов ненарушенной структуры дано в табл. 5.11.

Таблица 5.10. Расчетные сопротивления сжатию засоленных мерзлых грунтов σсж> МПа

Таблица 5.11. Сцепление мерзлых грунтов ненарушенной структуры при мгновенном см и длительном сд действии нагрузки, МПа

Фундаменты на структурно-неустойчивых грунтах

При строительстве и эксплуатации городских зданий и сооружений на структурно-неустойчивых грунтах при определенных инженерно-геологических условиях зафиксированы многочисленные случаи образования резко выраженных неравномерных осадок, которые часто приводили к полному разрушению. К структурно-неустойчивым грунтам относятся лёссовые грунты, грунты, находящиеся в мерзлом и вечномерзлом состоянии, рыхлые пески, илы, чувствительные пылеватолинистые грунты, а также пылевато-глинис-тые набухающие грунты.

Развитие значительных неравномерных осадок в структурно-неустойчивых грунтах происходит из-за нарушения их природной структуры, которое возможно в результате механических и физических воздействий.

Механические воздействия обусловлены приложением внешней нагрузки от фундаментов, а также различными динамическими явлениями (вибрация, колебания и т. п.), происходящими в результате движения транспорта, технологических, производственных и других факторов. К механическим воздействиям наиболее чувствительны несвязные и слабосвязные грунты, а именно, слабые насыщенные водой пылевато-глинистые грунты, илы, заторфованные грунты, рыхлые пески и др.

Физические воздействия, при которых происходит нарушение структуры грунтов, обусловлены дополнительным увлажнением, которое может оказать неблагоприятное влияние на лёссовые и набухающие грунты; оттаиванием мерзлых и вечномерзлых грунтов, а также химической а механической суффозией и выветриванием. Данный тип воздействий приводит к увеличению деформативности вследствие разрушения структурных связей, вызывая дополнительные неравномерные осадки.

В структурно-неустойчивых грунтах при приложении внешней нагрузки разрушение структурных связей происходит быстрее, чем образование новых, в отличие от структурно-устойчивых грунтов, в которых одновременно с частичным нарушением структуры и уплотнения возникают новые связи, увеличивая тем самым их прочность. Поэтому в структурно-неустойчивых грунтах процесс разрушения структурных связей происходит лавинообразно и приводит к развитию просадки, не связанной с процессом постепенного уплотнения.

Возведение и эксплуатация сооружений на структурно-неустойчивых грунтах весьма затруднительны, поэтому при проектировании необходимо учитывать условия, при которых возможно нарушение их природной структуры и развитие просадки, и принимать меры, направленные на устранение таких неблагоприятных явлений.

Следует отметить, что основания, сложенные структурно-неустойчивыми грунтами при нагрузках, напряжения от которых не превышают структурной прочности, обладают в некоторых случаях удовлетворительными физико-механическими характеристиками, которые резко ухудшаются при нарушении структуры или превышения напряжениями структурной прочности.

Источник