Грунты с неустойчивыми структурными связями

Среди грунтов, на которых возводятся сооружения, есть несколько характерных типов особенных образований. Строительство на этих грунтах сопряжено со специальными мероприятиями, несоблюдение которых часто приводит к авариям. К таким грунтам обычно относят мерзлые, вечномерзлые, лёссовые, набухающие, слабые водонасыщенные глинистые, засоленные, насыпные грунты, торфы и заторфованные грунты.

При всем различии условий природного образования и последующего изменения этим грунтам свойственна общая особенность — способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эксплуатации сооружений воздействиях: при нагревании — для одних, увлажнении — для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии — для третьих типов грунтов. Это, в свою очередь, приводит также к резкому уменьшению прочности и несущей способности оснований, развитию недопустимых для сооружения деформаций.

Причины указанных процессов заключаются в том, что структурные связи в этих грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению при определенных воздействиях факторами. Поэтому такие грунты часто называют структурно-неустойчивыми грунтами. Рассмотрим происхождение, состав, структурно-текстурные особенности, распространение и формы залегания структурно-неустойчивых грунтов. Методы строительства на структурно-неустойчивых грунтах будут рассмотрены в курсе ОиФ.

Мерзлые и вечномерзлые грунты. На всей территории России температура воздуха зимой опускается ниже 0°С. В результате длительного воздействия отрицательной температуры происходит промерзание грунта с поверхности на некоторую глубину. В весенне-летнее время, с установлением положительной температуры воздуха, промерзший слой грунта оттаивает. В обширных районах Севера и Северо-Востока на территории, составляющей более половины страны, среднегодовая температура воздуха оказывается ниже 0 ⁰С. В теплое время года грунты здесь оттаивают на небольшую глубину (порядка 1...3 м), а ниже (до 30...500 м и более) находятся постоянно в мерзлом состоянии.

При температуре ниже 0 °С, как правило, грунты резко меняют свои свойства в связи с переходом части поровой воды в твердую вазу:— лед.

Грунты всех видов относятся к мерзлым, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грунты называют вечномерзлыми, если в условиях природного 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 значений температуры) за счет оттаивания части льда или замерзания части поровой воды их свойства могут изменяться. При оттаивании порового льда структурные льдоце-центные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние.

Строение верхних зон земной коры зависит от географо-климатических условий района. На большей части европейской территории России (исключая северо-восточную оконечность Кольского нолуострова), в Западной Сибири и Средней Азии толща грунта и зимнее время промерзает на некоторую глубину, а летом оттаивает. Ниже расположен постоянно талый грунт. Попеременно замерзающий и оттаивающий слой грунта называют деятельным слоем (рис. 4, а). На Севере и в Восточной Сибири ниже деятельною слоя располагается толща вечномерзлого грунта. В этом случае поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют слоем сезонного оттаивания, если он зимой сливается с вечномерзлым грунтом (рис. 4, б), и сезонного промерзания, если между ним и кровлей вечной мерзлоты находится слой талого грунта (рис. 4, в).

Рис. 4. Схема расположения слоев грунта:

1 – деятельный слой; 2 – талый грунт; 3 – слой сезонного оттаивания; 4 – вечномерзлый грунт; 5 – слой сезонного промерзания

Но В. А. Кудрявцеву, в зависимости от температурных условий область вечной мерзлоты разделяется на пять зон. В первой зоне (районы Иркутска, Читы и т.д.), расположенной по западной и южной границам области, мощность мерзлых толщ не превышает 30…40 м, температура вечномерзлых грунтов близка к 0…–1°С. Здесь отмечаете островное залегание вечномерзлых грунтов, перемежающееся территориями с отсутствием вечной мерзлоты. На севере и северо-востоке от нее находится вторая зона (среднегодовые температуры грунтов — 1... —3°С, мощность вечной мерзлоты 40...150 м), являющаяся переходом от прерывистого к относительно сплошное распространению вечной мерзлоты. В результате отепляющего влияния водоемов, рек, деятельности человека в этих зонах возможно образование сквозных таликов – толщ незамерзающих грунтов. Далее на север и северо-восток со сложными границами располагаются зоны сплошного распространения мерзлых толщ (третья зона — среднегодовая температура грунтов от –3 до — 5°С, мощность вечной мерзлоты до 200...250 м; четвертая — температура от — 5 до —10 °С, мощность до 400...600 м и более, занимающая значительную часть Якутии и северо-восточной оконечности страны; пятая зона относится к арктическому побережью). Здесь уже талики, как правило, не являются сквозными, а приурочены только к местным отепляющим факторам.

Мерзлые и вечномерзлые грунты отличаются характерной морозной текстурой, обусловленной содержанием и расположением в них льда. Различают массивную (слитную) текстуру, когда лед содержится только в порах грунта и видимые прослойки льда отсутствуют. Такая текстура свойственна крупнообломочным и песчаным, а также маловлажным глинистым грунтам. В случае слоистой текстуры, характерной для глинистых грунтов, промерзающих при подтоке воды, лед содержится в грунте в виде удлиненных включений (шлиров) различных размеров, ориентированных примерно в одном направлении. Сетчатая (ячеистая) текстура свойственна сильно обводненным глинистым и скальным грунтам. Шлиры и прослои льда в этом случае образуют сложную сеть, толщина их может измеряться сантиметрами. Наконец, в рыхлых крупнообломочных грунтах может формироваться корковая текстура, когда лед образует корки и линзы вокруг частиц и агрегатов грунта. Толща вечномерзлых грунтов может содержать также и более крупные включения льда (жилы, прослои, линзы), достигающие десятков сантиметров и даже метров. Схематический разрез вечномерзлой толщи и внутреннее строение ее инженерно-геологических элементов приведены на рис. 5.

Содержание льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах, а следовательно, и их состояние по прочности и деформируемости существенным образом зависят от изменения внешних воздействий, прежде всего отрицательной температуры. Это важнейшее качество мерзлых грунтов было установлено в 1945 г. Н. А. Цытовичем и названо принципом равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах.

Опыт показывает, что при промерзании грунтов, особенно мелкодисперсных (глинистых), в лед переходит не вся поровая вода, лишь часть ее. Дальнейшее понижение температуры сопровождается фазовыми превращениями, но интенсивность их уменьшается, причем чем больше в грунте связанной воды, тем большая часть поровой воды при данной отрицательной температуре находится в незамерзшем состоянии. Это хорошо иллюстрируется графиками рис. 6. В кварцевых песках практически не содержится связанной воды, все фазовые переходы завершаются при температуре, близкой к 0°С. В глинистых грунтах с увеличением содержания глинистых частиц относительное содержание связанной воды возрастает, что ведет к увеличению количества незамерзшей воды при данной температуре.

Рис. 5. Разрез вечномерзлой толщи и внутреннее строение ее инженерно-геологических элементов:

1 – слой суглинка; 2 – слой песка; 3 – трещиноватая скальная порода; 4 – жилы и линзы льда; 5 – сеть ледяных жилок в суглинке (сетчатая текстура); 6 – поровый лед-цемент заполняет поры между частицами (массивная текстура); 7 – базальный лед-цемент разобщает частицы (корковая текстура); 8 – трещинный лед в скальной породе (слоистая текстура, приближающаяся к ячеистой)

Рис. 6. Кривые содержания незамершей воды в мерзлых грунтах в зависимости от отрицательной температуры (по Н.А. Цытовичу)

1 – кварцевый песок; 2 – супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – то же, содержащая монтмориллонит

Указанные особенности мерзлых грунтов вызывают необходимость введения при их рассмотрении дополнительных физических характеристик. В соответствии со СНиП 2.02.04 — 88 «Основании и фундаменты на вечномерзлых грунтах» к ним относятся различные характеристики влажности (суммарная влажность мерзлого грунта, влажность мерзлого грунта за счет содержания только незамерзшей воды и влажность мерзлого грунта между отдельными ледяными включениями); льдистости отношения объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, ко всему объему грунта (суммарная льдистость мерзлого грунта и льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений); ряд других показателей (степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой, температура начала замерзания воды в порах грунта). Кроме того, для расчетов промерзания — оттаивания грунтов используются теплофизические характеристики: теплопроводность, объемная теплоемкость, различающиеся для талого и мерзлого грунта, и теплота таяния (замерзания) грунта.

Физический смысл этих характеристик и способы их определение подробно рассмотрены в указанно выше СНиПе.

Изменение температурного состояния мерзлых грунтов приводит к значительным изменениям их физических, а следовательно и механических свойств.

Важнейшей особенностью мерзлых грунтов является их просадочность при оттаивании — резкое уменьшение объема грунт при таянии льда и отжатии воды, что может приводить к чрезмерным деформациям построенных на этих грунтах сооружений.

Лёссовые грунты (лёссы). Около 14% континентальной части бывшего СССР покрыто лёссовыми грунтами. Они распространен на значительной части юга европейской территории, включая Украину, Центральный Крым, Северный Кавказ, Поволжье, часть Беларуси. Большие территории Средней Азии, Закавказья, Западной Сибири также покрыты лёссовыми грунтами. Равнинные территории многих стран Азии с сухим климатом (Монголии, Китай Афганистана, Ирана и др.) сложены лёссовыми грунтами. Мощность лёссового покрова колеблется от нескольких метров до 20..30 м, а иногда и более.

Лёссовые грунты по составу, структурно-текстурным признакам, а следовательно, и механическим свойствам существенно отличаются от всех 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 ставу 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 влажности Sr<0,5.

Внешне лёсс представляет собой горную породу палевого цвета, маловлажную, слабосцементированную, пыльную в сухом состоянии. При увлажнении образцы лёсса распадаются на мелкие агрегаты. Пористость сухих или слабоувлажненных лёссов обычно 0,4...0,5 и более. Для них характерно наличие крупных, различимых невооруженным глазом пор. Чаще всего это вертикальные круглые в сечении трубочки с диаметром от сотых долей милиметра до миллиметра, редко больше. Важно подчеркнуть, что размер пор значительно превышает размер частиц грунта. Именно связи с таким соотношением диаметра пор и диаметра частиц лессовые грунты называют макропористыми. Поры, которые визуально кажутся мелкими, являются очень крупными по отношению к частицам, слагающим их стенки. При таком соотношении размеров поры сохраняются в грунте только за счет цементации частиц растворимыми минералами (СаС03; CaS0₄ 2Н20; NaCl и др.).

Происхождение макропор связывают с корневой системой растений и другими факторами. В южных районах, где формируется корни растений проникают на глубину нескольких метров в поисках воды. Отмирая и истлевая, корни оставляют после себя вертикальные канальцы. Постепенное накапливание толщи лёссовых грунтов не приводит к разрушению макропор. Благодаря вертикальной пористости лёссы, несмотря на глинистый состав, обладают хорошей водопроницаемостью в вертикальном направлении, что способствует быстрому и глубокому замачиванию лёссовых оснований при различного рода утечках воды.

При природной влажности лёссовые грунты за счет цементационных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой до 10 м и более. Увлажнение лёссов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения — просадками. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными. Величина просадки может достигать нескольких десятков сантиметров.

Набухающие грунты. Набухающие грунты встречаются в районах Поволжья, Закавказья, Казахстана и Крыма. Они широко распространены в Египте, ЮАР, США и других странах. В Индии, например, около 30% территории сложено набухающими грунтами.

К набухающим относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит, олинит, гидрослюды) и малой влажностью в природном состоянии (w < w_P).

Значения влажности на пределе текучести и числа пластичности у этих грунтов весьма велики. 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 усадка, приводящая к объемным деформациям.

Таким образом, набухающие грунты отличаются набухание (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшение объема) при высыхании.

Увлажнение может быть вызвано повышением уровня подземных вод, накоплением дополнительной влаги под сооружение из-за нарушения природных условий испарения воды из грунта при экранировании его поверхности построенным сооружением и т.д. Уменьшение влажности грунта обычно связано с технологическими или климатическими факторами.

Некоторые грунты, не обладающие способностью к набуханию при их замачивании природной водой, приобретают свойства набухать при увлажнении их растворами солей, представляющими собой технологические отходы химических, металлургических и других предприятий. Это явление часто называют «химическим набуханием».

Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Е.А. Сорочан приводит примеры, когда подъем некоторых конструкций при набухании грунтов основания достигал 580 мм. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты. К ним обычно относятся илы, ленточные глины, водонасыщенные лёссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов. Характерными ocoбенностями таких грунтов являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и большая деформируемость.

Илами называют водонасыщенные современные осадки водоемов(морские, лагунные, озерные), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влажность на границе текучести (w> w_L), коэффициент пористости e≥0,9. Пресноводный ил называют сапропелем.

По составу илы отличаются от других глинистых грунтов повышенным содержанием органических остатков, которые постепенно разлагаются в процессе естественного упрочнения породы, на что при отсутствии доступа кислорода уходят многие годы. Органические остатки и экологически связанные с ними и с водой в единую систему микроорганизмы придают илам особые свойства. В илах, как и в других глинистых отложениях, преобладают глинистая и пылеватая фракции, может присутствовать мелкопесчаная фракция. Более крупные обломки практически отсутствуют. Наряду с кварцем, полевыми шпатами и глинистыми минералами, составляющими основную массу всякого ила, в морских, лагунных и некоторых других илах присутствуют растворимые минералы в составе порового раствора или в кристаллическом виде. Органические образования в илах составляют более 10% массы. Илы залегают на дне водоемов, непосредственно под водой либо под маломощным слоем песчаных отложений или под торфом. Мощность ила может достигать 10 м, а иногда и нескольких десятков метров. В последнем случае с глубиной происходит уплотнение и упрочнение илов. Они постепенно переходят на глубине 0.50 м нормальный глинистый грунт текучепластичной консистенции. С глубиной ил не только уплотняется, в нем обычно такжеуменьшается содержание органики.

Отличительной особенностью илов является то, что в ненарушенном состоянии они обладают небольшой структурной прочностью. Передача на илы давлений, меньших структурной прочности, вызывает лишь упругие деформации скелета грунта. 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 горизонтальному переслаивания тонких и тончайших (несколько сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и глины.

Суммарная мощность ленточных отложений может достигать 10 м и более.

Ленточные отложения широко распространены на северо-западе европейской части России. Они образовались в приледниковых озерах во время оледенения Русской равнины.

Талыми водами в озера ледника выносились глинистые частицы и малые обломки минералов, соответствующие размерам пыл и мелкого песка, причем в летнее время при интенсивном таянии поступал более крупный материал. В это время формировались песчаные и песчано-пылеватые прослои. В осеннее время при уменьшении скоростей в потоках талых вод в озера поступали преимущественно мельчайшие пылеватые и глинистые частицы. В этовремя песчаный прослой закрывался по всей площади озера глинистым. Таким образом, пара прослоев соответствовала годичному циклу.

В категорию особых грунтов ленточные глины попадают из-засвоеобразия текстуры, из-за тонкой горизонтальной слоистости, которая создает особые свойства описываемых отложений. Слоистая текстура вызывает анизотропию свойств. Очевидно, что водопроницаемость толщи вдоль прослоев значительно больше, чемв поперечном направлении. Различие в водопроницаемости в горизонтальном и вертикальном направлениях может достигать 2...3 порядков.

В естественном состоянии ленточные отложения имеют высокую пористость. Коэффициент пористости обычно равен 0,7...0,8 и нередко превышает единицу. Грунты обычно находятся в водонасыщенном состоянии. Естественная влажность w обычно равна 0,3...0,5, но может достигать и 0,7...0,8, тогда как влажность на пределе текучести wL не превышает 0,6...0,65. Следовательно, ленточные отложения находятся в скрытопластичном состоянии или даже в скрытотекучем. Этому способствует тесное соседство песчаных и глинистых прослоев.

Высокое значение пористости и большая влажность ленточных глин свидетельствуют об их малой прочности и сильной деформируемости под нагрузками. Как и илистые грунты, ленточные глины в природном состоянии обладают некоторой структурной прочностью.

Торф изаторфованные грунты. Торфяные образования широко развиты в низинных болотно-лесных, тундровых, таежных районах (Беларусия, Прибалтика, Север, Западная Сибирь). Внешне торф представляет собой землистую массу от светло-бурого до темно-бурого и черного цвета, пластичную во влажном состоянии.

Торфом называют органические отложения, не менее чем 50% сухой массы состоящие из остатков растительности. Стебли трав и камыша, ветви кустарников, стволы и корневища деревьев находятся в торфе в разных соотношениях и в различной степей разложения, что делает торфы неоднородными даже в пределах одной залежи. Еще более разнообразны торфы различных болот.

Органоминеральные образования — песчаные, пылеватые и глинистые, содержащие торф в количестве от 10 до 50% массы cyxoго вещества, 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. Содержание гумуса в торфе повышается увеличением степени его разложения. Плотность торфа обычно не превышает 1...1,2 г/см3, а влажность достигает нескольких сотен процентов. 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, бывают значительны и затухают очень медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов также крайне невелика. Поэтому напластования, содержащие заторфованные грунты, относятся к наихудшим типам оснований сооружений.

Засоленные грунты. Засоленные грунты широко представлены в Казахстане, Средней Азии, Азербайджане, на Украине и в северныхприморских районах, Прикаспии.

К этой разновидности относятся крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, содержащие определенное количество легко- и среднерастворимых солей.

Легкорастворимыми солями являются хлористые, серно-кислые и карбонатные соли натрия, калия и магния (галит NaCl, сода NaСО₃, мирабилит NaSO₄ и др.), среднерастворимыми — сульфит кальция (гипс) CaS0₄ 2Н20, ангидрит CaS0₄, кальцит СаСО₃ и др.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связана с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), Разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого неравномерных просадок. Фильтрующая вода становится раствором вымываемых солей и приобретает агрессивность по отношению к металлу и бетону.

Насыпные грунты. Интенсивная хозяйственная деятельность человека привела к образованию особой разновидности отложений — насыпных грунтов.

К насыпным относятся грунты природного происхождения с нарушенной естественной структурой, а также минеральные отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы, образовавшиеся их отсыпкой или гидронамывом.

Как отмечает В. И. Крутов, ежегодный объем земляных работ на территории бывшего СССР составлял около 3 млрд. м³. Это привело к формированию больших регионов, сложенных насыпными грунтами. Функционирование города с населением 1 млн. жителей связано с образованием отходов, содержащих органику, которые ежегодно складируются в отвалы на территории около 40 га двухметровым слоем отсыпки. Таким образом, в результате горно-технической, инженерно-строительной и хозяйственной деятельности человека объемы образования и накопления насыпных грунтов стали соизмеримы с масштабами геологических явлений.

Территории, занятые насыпными грунтами, обычно представляют собой бывшие овраги, пруды, болота, поймы рек и т. п. Рельеф засыпаемых участков, как правило, сильно изрезан, поэтому мощность насыпных грунтов часто бывает весьма неравномерна. Kpоме того, насыпные грунты могут подстилаться разновидностью других слабых грунтов.

Внасыпных грунтах постепенно происходят различные физические, физико-химические, биологические и другие процессы, приводящие, с одной стороны, к их самоуплотнению, упрочнению, с другой — к распаду, разложению как структуры отдельных агрегатов, так и отдельных частиц, т. е. к разупрочнению. Поэтому насыпным грунтам в той или иной степени свойственны многие из тех особенностей, которые были отмечены выше при рассмотрении других разновидностей структурно-неустойчивых грунтов.