Особые виды грунтов с неустойчивыми структурными связями
Геологическое строение оснований. Понятие о геологическом теле
Обычно в основании располагается несколько типов грунтов. В таком случае, кроме оценки свойств каждого грунта, возникает не менее важная задача – схематизация геологического строения основания, т.е. выделение границ между ними. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис.).
Слоем называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей. Расстояние между подошвой и кровлей называют мощностью слоя. Линзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью. Если геологическое тело входит с одной стороны в геологический разрез и заканчивается в нем, то это называют выклиниванием слоя. Очень тонкое геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися поверхностями, называется прослоем. Жилой называют внутренне однородное геологическое тело, протяженное и пересекающее слои. Зоной называют область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.
При определении строения грунтовой толщи необходимо помнить, что строение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полученных по отдельным вертикалям (скважины, данные геологической разведки), и от количества вертикалей, а также и расстояний между ними будет зависеть достоверность полученных данных.
Структурно-неустойчивые грунты это грунты, обладающие в природном состоянии структурными связями, которые при определенных воздействиях снижают свою прочность или полностью разрушаются. Эти воздействия могут заключаться в существенном изменении температуры, влажности, приложении динамических усилий.
К структурно-неустойчивым грунтам относят грунты: лессовые, структура которых нарушается при замачивании под нагрузкой; мерзлые и вечномерзлые, структура которых нарушается при оттаивании; рыхлые пески, резко уплотняющиеся при динамических воздействиях; илы и чувствительные глины, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры. Также к особым грунтам относят: набухающие грунты, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой; торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью; скальные и полускальные грунты, обладающие, как правило, высокой прочностью и малой деформативностью.
Неучет специфических свойств этих грунтов может привести к нарушению устойчивости зданий и сооружений, к чрезмерным их деформациям.
Структурно-неустойчивые грунты часто относят к региональным типам грунтов потому, что эти грунты часто группируются в пределах определенных географо-климатических зон, в определенных регионам страны, т.е. преобладают в одних регионах и практически могут отсутствовать в других.
Особенности деформирования грунтов по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.
Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и разборный скальный грунт обладают некоторой деформируемостью. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.
Объемные деформации крупнообломочных и однородных по гранулометрическому составу песчаных грунтов обусловливаются упругим сжатием частиц, а по мере увеличения нагрузки – пластическим разрушением контактов между ними. В неоднородных песках будут развиваться значительные деформации уплотнения. В водонасыщенных песчаных грунтах это сопровождается отжатием воды из пор. Сдвиговые деформации в крупнообломочных и песчаных грунтах происходят за счет взаимного перемещения частиц с учетом разрушения контактов.
Наиболее сложно развивается процесс деформирования в глинистых грунтах. Объемные деформации в них связаны с более плотной переупаковкой частиц, окруженных пленками связанной воды, с уменьшением объема пор, с отжатием поровой воды и упругим сжатием защемленных пузырьков воздуха.
Интенсивность проявления деформаций в глинистых грунтах в большой мере зависит от характера структурных связей и величины действующих нагрузок. При нагрузках, не превышающих структурной прочности, глинистые грунты могут проявлять упругие свойства. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает постепенное разрушение структурных связей и интенсивное уплотнение грунта. Разрушенные водно-коллоидные связи со временем восстанавливаются, и после уплотнения глинистого грунта наблюдается его упрочнение.
1) Лёссовые грунты относят к категории макропористых грунтов, поры которых зачастую видны невооруженным глазом (размер пор значительно превышает размер частиц грунта).
Лёссовые грунты по составу, структурно-текстурным признакам, механическим свойствам существенно отличаются от других горных пород. Твердые частицы лёссовых грунтов на 80…90% состоят из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По крупности до 60%, иногда даже до 90% твердых частиц относится к пылеватым, остальные - к глинистым, лишь малая часть – к песчаным фракциям. По гранулометрическому составу и числу пластичности лёссовые грунты относятся к пылеватым супесям и суглинкам. Влажность лёссовых грунтов в естественном состоянии обычно не превышает 0,08…0,16, степень влажность менее 0,5, пористость – 0,4…0,5.
При природной влажности лёссовые грунты за счет цементационных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой более 10 м.
Увлажнение лёссов приводит к размягчению, частичному растворению цементационных связей, а также снижение прочности водно-коллоидных связей между частицами и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения – просадками. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными.
Грунт называют просадочным если, под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса, замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку).
2) Мерзлыми называют грунты всех видов с отрицательной температурой, часть поровой воды в которых находится в замерзшем состоянии в виде кристалликов льда. Грунты называют вечномерзлыми, если в условиях залегания они находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение многих (трех и более) лет.
Мерзлые и вечномерзлые грунты из-за наличия в них льдоцементных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми природными образованиями. Однако при повышении или понижении температуры (даже в области отрицательных температур) за счет оттаивания льда или замерзания части поровой воды их свойства могут изменяться.
При оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые пылевато-глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние. Важнейшей особенностью мерзлых грунтов является их просадочность при оттаивании – резкое уменьшение объема грунта при таянии льда и отжатии воды, что приводит к чрезмерным деформациям построенных на этих грунтах сооружений.
При строительстве на таких грунтах часто приходится учитывать морозное пучение – возможность увеличения объема при промерзании.
Грунт называют пучинистым если при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда.
Пучению подвержены пылевато-глинистые грунты, а также пылеватые и мелкие пески. Пучение грунта развивается вследствие притока воды к фронту промерзания из нижерасположенных слоев вследствие разности сил притяжения.
Если при промерзании грунт испытывал пучение, то при его оттаивании неизбежна просадка. По этой причине многие вечномерзлые грунты при оттаивании резко уменьшаются в объеме. При оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые пылевато-глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние.
В мерзлых грунтах при наличии подземных вод могут образовываться поверхностные и грунтовые наледи (слои льда) и бугры пучения. Наледи и бугры пучения могут быть сезонными и многолетними. В результате неравномерного изменения объема грунта при промерзании и после промерзания может произойти растрескивание грунтов с образованием характерной системы трещин. При многократном пучении и оттаивании грунтов, расположенных на склонах, может происходить их медленное течение (сползание) по склону, называемое солифлюкцией.
3) Природная структура рыхлых песков легко нарушается при динамических воздействиях (вибрации или сотрясении). Уровень необходимого воздействия обычно измеряется ускорением и зависит от плотности сложения песка. Ускорение, при котором песок начинает уплотняться, называется критическим. При динамическом воздействии больше критического происходит уплотнение песка, проявляющееся с нарушением его природной структуры, т.е. просадка.
4) Некоторые пылевато-глинистые грунты, в частности илы, резко меняют свои прочностные и деформационные характеристики при нарушении их природной структуры даже без изменения влажности. Это свидетельствует о значительном влиянии структурных связей на механические свойства грунтов. Поэтому, при разработке котлованов и возведении фундаментов в таких грунтах применяют специальные мероприятия по сохранению природной структуры грунтов.
Многие пылевато-глинистые грунты могут менять свой объем с изменением влажности. Наиболее значительно меняется объем глин, содержащих большое количество частиц глинистого минерала. Набухаемость грунтов оценивают при помощи коэффициента набухания
где: hsat – высота образца грунта ненарушенной структуры под давлением, ожидаемым в основании сооружения, после замачивания; hn – то же, до замачивания.
Поступающая в набухающие грунты влага адсорбируется поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объема грунта. Часть воды проникает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к увеличению объема грунта. При уменьшении влажности набухающих грунтов возникает их осадка, приводящая к объемным деформациям. Таким образом, набухающие грунты отличаются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшением объема) при высыхании.
Увлажнение может быть вызвано повышением уровня подземных вод, накоплением дополнительной влаги под сооружением из-за нарушения природных условий испарения воды из грунта. Уменьшение влажности грунта обычно связано с технологическими или климатическими факторами.
Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.
5) Слабые водонасыщенные грунты
К слабым водонасыщенным грунтам относят илы, ленточные глины, водонасыщенные лёссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов характерными особенностями которых являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и большая деформируемость.
Илами называют водонасыщенные современные осадки водоемов (морские, лагунные, озерные, речные, болотные илы), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влажность на границе текучести ( ), коэффициент пористости . В илах преобладают глинистая и пылеватая фракция, может присутствовать мелкопесчаная фракция. Органические образования в илах составляют от 2 до 12% по массе. Различают: супесчаные илы , суглинистые илы и глинистые илы . Структура илов легко разрушается при статических нагрузках, превышающих структурную прочность, и особенно при воздействии динамических нагрузок. Однако со временем водно-коллоидные связи в илах восстанавливаются и уплотненный илистый грунт упрочняется.
Ленточные глины (ленточные отложения) – это толща грунтов, состоящая из близкого к горизонтали переслаивания тонких и тончайших (несколько сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и глины. Суммарная мощность (толщина) ленточных отложений может достигать 10 м и более. В естественном состоянии ленточные отложения имеют высокую пористость. Коэффициент пористости обычно равен 0,7…0,8, иногда превышает единицу. Грунты обычно находятся в водонасыщенном состоянии. Естественная влажность обычно равна 0,3…0,5, но может достигать и 0,7…0,8, тогда как влажность на пределе текучести не превышает 0,6…0,65. Следовательно, ленточные отложения находятся в скрытопластичном или в скрытотекучем состоянии. Высокое значение пористости и большая влажность ленточных глин свидетельствуют об их малой прочности и сильной деформируемости под нагрузками.
6) Заторфованные грунты
Торфом называют органоминеральные отложения, не менее чем на 50% состоящие из остатков болотной растительности.
Песчаные, пылеватые и глинистые грунты, содержащие в своем составе от 10 до 50% по массе органических веществ, называют заторфованными грунтами.
Состояние и свойства торфа и заторфованных грунтов в большой мере зависят от степени разложения органических остатков, переходящих в гумус, и относительного содержания в них неорганических минералов. Плотность торфа обычно не превышает 1…1,2 г/см3. В природных условиях торф и заторфованные грунты, как правило, находятся в водонасыщенном состоянии. Торфы относятся к наиболее сжимаемым грунтам. Из-за большого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сложенных торфом или содержащих включения заторфованных грунтов, развиваются медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов крайне невелика. Поэтому напластования, содержащие заторфованные грунты, являются одним из наихудших типов оснований сооружений.
Заторфованные грунты это очень пористые и влажные грунты. Объем пор, заполненных водой в 4-12 и более раз больше объема твердого вещества, поэтому заторфованные грунты обладают очень большой сжимаемостью.
7) Засоленные грунты
К засоленным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые грунты, содержащие определенное количество легко– и среднерастворимых солей.
Легкорастворимыми солями являются хлористые, сернокислые и карбонатные соли натрия, калия и магния, среднерастворимыми – сульфат кальция (гипс), ангидрит, кальцит.
Основная опасность строительства на засоленных грунтах связана с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого неравномерных просадок.