768
.pdfКапиллярное увлажнение от грунтовых вод зависит от вида грунтов земляного полотна и его основания и глубины расположения расчетного горизонта грунтовых вод. Источниками питания собственно капиллярной воды являются поверхностные, грунтовые воды и верховодка. При устранении этих источников собственно капиллярная вода превращается в капиллярноподвешенную [11].
Капиллярная вода в грунте находится под действием движущих сил менисков, сил сопротивления движению воды, веса капиллярной воды, сил инерций, давления воды, находящейся на поверхности грунта, атмосферного давления и давления воздуха в грунте. Температура оказывает сравнительно небольшое влияние на перемещение капиллярной влаги, поэтому влияние времени года на эти процессы незначительно [11].
Если грунтовая вода расположена близко к дневной поверхности грунта, то при низкой высоте насыпи она за счет капиллярного поднятия накапливается в верхней части земляного полотна. На участках с затруднительным стоком капиллярное увлажнение невысоких насыпей (0,6–1,2 м) является причиной деформаций морозного пучения.
Увлажнение насыпей продольным током воды наблюдается при близком расположении прилегающей выемки, вскрывающей водоносные породы. Весной на участках дорог с продольными уклонами скопившаяся в корыте земляного полотна после частичного оттаивания грунтов вода стекает и накапливается в пониженных местах, особенно вблизи вогнутых переломов профиля дороги.
Увлажнение за счет конденсации парообразной влаги зави-
сит от условий водно-теплового режима земляного полотна и может быть различным. Этот источник постоянно присутствует в полотне и слоях одежд [7]. В осенний период водяные пары являются одним из основных источников увлажнения земляного полотна.
Зимняя миграция влаги из более влажных и глубоких слоев к поверхности основной площадки и откосов происходит путем перемещения ее к фронту промерзания по направлению теплового потока. За счет миграции влаги в зимний период увлажняются главным образом связные грунты, обладающие малой водопро-
21
ницаемостью. В таких грунтах наиболее интенсивный прирост влаги происходит именно в процессе промерзания. Величина зимнего влагонакопления зависит в основном от климатических условий района, метеорологических условий года, вида грунтов и гидрогеологии.
Ввысоких насыпях зимняя миграция влаги в рабочий слой и
коткосам приводит к перераспределению влаги, но не сопровождается образованием крупных линз и прослоек льда, так как предзимние запасы влаги в ядре насыпи к зиме, как правило, ограничены. На устойчивость откосов и стабильность основной площадки после оттаивания такое переувлажнение обычно не сказывается.
Внизких насыпях и выемках при близком стоянии уровня грунтовых вод миграция влаги приводит к избыточному льдовыделению у фронта промерзания. Весной оттаивание линз и прослоек льда сопровождается резким переувлажнением грунтов, которое, в свою очередь, приводит к просадкам основной площадки, сплывам и оползанию откосов.
Грунтовые воды, выходящие на откосах выемок или в осно-
вании насыпей. Нередко увлажнение нижней части насыпи происходит под действием напорных подземных вод через трещины в водопроницаемых породах. Иногда источниками избыточного увлажнения нижней части насыпи являются незатампонированные скважины, вскрывающие напорные горизонты подземных вод и оставленные после производства инженерно-геологических изысканий. Большую проблему для дорожников представляют подземные воды при вскрытии бортами выемок выходов пластовых горизонтов в водопроницаемых породах.
Воздействие выходов подземных вод чаще всего характерно для горных условий с большим распространением трещинных вод, протекающих в зоне выветривания.
Поверхностные воды, стекающие по склону косогора, ув-
лажняют основание насыпей и полунасыпей, по преимуществу невысоких. Увлажнение подошвы насыпи в местах контакта с грунтами основания поверхностными водами на косогорах может происходить при отсутствии нагорных канав или небрежном их содержании. В некоторых случаях происходит фильтрация воды из неправильно устроенного нагорного кювета сквозь тело песча-
22
ной полунасыпи и по слою водопроницаемого грунта в ее основании [10].
Характер увлажнения грунтов земляного полотна и его последствия зависят от их водопроницаемости и влагоемкости. В несвязные грунты (пески и легкие крупные супеси) вода проникает быстрее и на большую глубину. Однако при кратковременном увлажнении хорошо фильтрующие дисперсные грунты не столь заметно снижают свои механические характеристики. Кроме того, они легко отдают воду и достаточно быстро просыхают. Наибольшую опасность для таких грунтов представляет гидродинамическое давление при выходе воды на откосы и в основании насыпей. В таких грунтах при большой скорости фильтрации возможны суффозионные процессы. При длительном водонасыщении под воздействием динамических нагрузок от проходящего транспорта недоуплотненные мелкозернистые и пылеватые пески, реже легкие супеси могут проявлять плывунные свойства.
В связных грунтах избыточная влага удерживается длительное время. Они долго и медленно просыхают. Механические характеристики при переувлажнении глинистых грунтов в значительной мере снижаются.
Особую опасность представляют заторфованные грунты, попадающие в тело насыпи при некачественной отсыпке. Такие грунты легко аккумулируют влагу, попадающую в тело земляного полотна, и хорошо ее удерживают. Нередко наличие переувлажненных линз заторфованных грунтов является причиной серьезных деформаций.
1.5. Влияние вида и состояния грунтов на стабильность земляного полотна
Прочность и устойчивость земляного полотна могут существенно изменяться в процессе его эксплуатации. Возникновение деформаций, характер их развития и интенсивность протекания определяются инженерно-геологическими условиями самого земляного полотна и подстилающего его грунтового массива, которые, в свою очередь, зависят от генезиса, химического и минералогического состава грунтов, их физико-механических свойств, вида и состояния.
23
Земляное полотно, отсыпанное из кондиционных грунтов с надлежащим качеством при полном соблюдении технологии производства работ, как правило, стабильно в процессе эксплуатации. Проблемы чаще всего возникают при использовании так называемых особых грунтов [17], которые, как правило, относятся к категории структурно неустойчивых; под влиянием природных воздействий их свойства кардинально ухудшаются.
В тех случаях, когда они служат основанием насыпи, специфические физико-механические свойства некоторых особых грунтов, определяемые их генезисом, проявляются в виде недостаточной несущей способности.
При вскрытии выемок многие из таких грунтов начинают интенсивно разрушаться под воздействием атмосферных агентов. В результате активизируются оползневые и эрозионные процессы.
При укладке в тело насыпи под воздействием атмосферной влаги и других агентов выветривания у большинства особых грунтов резко снижаются их характеристики. Поэтому для возведения земляного полотна или вовсе не рекомендуется использовать такие грунты, или предусматриваются специальные мероприятия по их защите от атмосферных воздействий.
Согласно СНиП 2.05.02–85 [17] к особым грунтам, использование которых при возведении земляного полотна ограничено, относятся: торфы и заторфованные грунты, сапропели, илы, иольдиевые глины, лёссы, аргиллиты и алевролиты, мергели и мергелистые глины, трепел, тальковые и пирофиллитовые, глинистые сланцы, дочетвертичные глины, черноземы, барханные пески, техногенные грунты и некоторые другие.
Особое значение достоверная оценка свойств и особенностей таких грунтов приобретает в условиях Западной Сибири, где они распространены чрезвычайно широко.
Торф – органо-минеральный грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % и более (по массе) органических веществ [18]. Структура и прочность торфа обусловлены волокнистостью. Для него характерны высокие влагоемкость и влажность в естественном состоянии. Последняя обычно состав-
ляет 150–3 000 % [19].
24
Отличительной особенностью торфов является их исключительная сжимаемость под нагрузкой, величина которой в десятки и сотни раз выше, чем у минеральных грунтов. При этом наблюдаются как остаточные, так и упругие деформации, причем первые имеют значительно большую величину [20].
Сжимаемость и прочностные характеристики торфов зависят от их генезиса, степени разложения, плотности и влажности. Наибольшей сжимаемостью обладают слаборазложившиеся торфы, наименьшей – при прочих равных условиях – сильно разложившиеся.
При высыхании торфов наблюдается значительная усадка, величина которой определяется начальной влажностью, степенью разложения и зольностью. В зависимости от влажности величина объемной усадки составляет 14–44 % [20].
Заторфованными грунтами согласно ГОСТ 25100–95 назы-
ваются грунты, содержащие от 10 до 50 % по массе торфа. С инженерно-геологической точки зрения, по условиям образования заторфованные грунты имеют морское, лагунное, озерное, болотное, озерно-ледниковое и аллювиальное происхождение. Особенностью заторфованных грунтов в условиях естественного залегания являются их большая сжимаемость и медленный процесс осадки. При использовании заторфованных грунтов в качестве основания насыпей необходимо тщательно сохранять их природную структуру и обеспечивать равномерность загружения.
В большинстве случаев заторфованные грунты встречаются в теле насыпи в виде прослоек и линз гумусированного почвеннорастительного слоя, которые являются следствием нарушения технологии их отсыпки.
Наличие органических включений предопределяет высокую гидрофильность заторфованных грунтов. Они обладают повышенной влагоемкостью, набухаемостью и особенно липкостью. При попадании таких грунтов в тело насыпи они абсорбируют и аккумулируют влагу, что провоцирует последующие деформации в виде просадок и потери устойчивости откосов.
Известны случаи, когда железнодорожные насыпи, отсыпанные из гумусированных суглинков или из смеси суглинков с черноземами, деформировались на протяжении всех 80 лет их эксплуатации, причем осадки насыпей достигали 2,5–4 м [10].
25
Сапропель – современный озерный органо-минеральный пресноводный ил, содержащий более 10 % по массе органических веществ (белки, жиры, протеины), биологически активные вещества и целый набор микрокомпонентов [21]. В образовании органической части сапропеля участвуют растительные и животные организмы. Волокнистость уже утеряна, а прочность водноколлоидных связей еще не достигнута. Сапропель имеет, как правило, текучую консистенцию, высокую дисперсность, коэффициент пористости более 3.
Механические свойства сапропелей зависят от их структурных особенностей, состава и плотности в природном состоянии [22]. С уменьшением содержания органики прочность падает. Под действием веса насыпи сапропель выжимается в виде валов.
Сапропели широко распространены во многих озерах юга Западной Сибири, где их мощность достигает 5–7 м [21].
Ил – современный осадок водоемов, представленный глинистыми грунтами в начальной стадии формирования, имеющими влажность, превышающую границу текучести, и коэффициент пористости более 0,90. Водно-коллоидные связи уже определены, но еще находятся в пластичном состоянии.
Илы имеют текучепластичную и текучую консистенцию и совершенно непригодны в качестве основания насыпей без дополнительных мероприятий. Влажность илов превышает 100 %, коэффициент пористости обычно находится в пределах 1–2, а иногда и выше, сжимаемость до 100–150 мм на 1 м толщи [23].
Проектировать сооружения при наличии в их основании илов требуется с учетом их высокой сжимаемости, медленного протекания уплотнения грунта под нагрузкой, их реологических свойств, а также свойства илов разжижаться при динамическом воздействии на них.
Отложения биогенных грунтов болотного генезиса имеют огромное распространение на территории Западной Сибири, где они нередко представляют собой последний по времени покровный комплекс и служат основанием насыпей. Здесь расположена самая крупная заболоченная равнина в мире – Западно-Сибирская низменность с ее плоским рельефом и малой эрозией.
Иольдиевые глины являются послеледниковыми морскими слабыми отложениями трансгрессии Ледовитого океана. К ти-
26
пичным районам распространения иольдиевых глин относятся, в частности, Ленинградская область и Карелия. По своему гранулометрическому составу они являются тяжелыми глинами, содержание глинистой фракции достигает 45–64 %. В условиях природного залегания они обладают значительной влажностью (W = 0,45–1,00), большой пористостью (50–70 %) и сильной сжимаемостью. В большинстве случаев они имеют текучую консистенцию, однако наличие, хотя и слабой, структурной связности придает им свойство скрытотекучего состояния, вследствие чего эти глины способны держать невысокие вертикальные откосы [24]. Вследствие большого содержания пылеватых частиц и высокой влажности эти грунты относятся к сильнопучинистым.
Для иольдиевых глин характерны резкая потеря прочности и разжижение при нарушении естественной структуры и особенно при динамических воздействиях. При этом они отличаются отсутствием способности к тиксотропному восстановлению структурных связей во времени после их нарушения. Железнодорожные насыпи, отсыпаемые по этим глинам, стремятся возводить с посадкой насыпи на твердое минеральное дно, прорезая всю толщу рыхлых образований иольдиевых глин [24, 25].
При возведении насыпей автомобильных дорог на иольдиевых глинах следует принимать меры для сохранения естественной структуры грунта и соизмерять с ней величину и скорость нагружения (отсыпки), так как возрастание прочности под влиянием веса насыпи происходит в течение длительного времени.
Лёссы и лёссовидные грунты представляют собой разновидность пылевато-глинистых грунтов с содержанием пылеватых частиц более 50 % по массе, наличием легко- и среднерастворимых солей и карбонатов кальция. Лёссы характеризуются повышенной пористостью, в маловлажном состоянии они способны держать вертикальные откосы, при замачивании дают просадку, легко размокают и размываются, а в состоянии полного водонасыщения при вскрытии их выемками могут переходить в плывунное состояние.
На территории России площадь распространения лёссов составляет 20,5 % континентальной части страны [26]. Одним из главных ореолов распространения лёссовых грунтов является Западная Сибирь. Почти сплошным покровом лёссовые грунты за-
27
легают у поверхности в пределах Барабинских, Кулундинских, Приалтайских степей, рельеф которых характеризуется многочисленными западинами [27].
Лёссовидные суглинки широко распространены на водоразделах, гривах, долинных и горных склонах Приобья. Главнейшими условиями проявления просадочности лёссовидных суглинков
исупесей здесь являются [28]:
1)высокая пористость и недоуплотненность;
2)непрочность структуры, легко разрушающейся при увлажнении, быстрая пептизация твердых коллоидных частиц;
3)преобладание в составе глинистой фракции гидрослюды, каолинита и кварца.
В условиях естественного залегания лёссовых грунтов Западной Сибири периодическое промачивание поверхностных отложений, обычно на глубину 5–10 см, в условиях преобладания испарения над осадками не может выщелочить или разрушить цемент агрегатов лёссовой породы настолько, чтобы реализовались их просадочные свойства.
При нарушении естественного стока в результате возведения земляного полотна автомобильных и железных дорог, при застаивании воды в пониженных местах, кюветах и перед водопропускными сооружениями под воздействием нагрузки от веса насыпи происходит реализация просадочных свойств грунтов основания с изменением проектных очертаний, осадкой и деформированием обочин и откосов, выпиранием грунта у подошвы откосов.
Неукрепленные откосы выемок, устроенные в лёссовых грунтах, подвергаются интенсивному выветриванию и разрушению.
При разработке в карьерах, перемещении и отсыпке в тело насыпи лёссовидные грунты в значительной степени теряют природную структуру. В условиях Приобья для отсыпки дорожных насыпей лучше использовать лёссовидные пылеватые супеси и легкие суглинки. Насыпи из этих грунтов в процессе эксплуатации не подвергаются деформации в той степени, в какой это происходит при использовании тяжелых суглинков [28].
Водопроницаемость лёссовидных грунтов после нарушения их структуры при отсыпке в насыпь уменьшается, но все же оста-
28
ется достаточно высокой, доходя до 7 см/сут в лёссовидных суглинках Западной Сибири [28]. Высокая влагоемкость обеспечивает их быстрое насыщение водой и длительное сохранение высокой влажности в теле насыпи. По результатам исследований Н.Г. Грушевого [10], в деформированных насыпях все лёссовидные грунты имеют мягкопластичную и даже текучую консистенцию, а на некоторых участках при бурении в теле насыпи встречена свободная вода.
Пылеватые лёссовидные тяжелые суглинки даже при небольшом увеличении влажности резко снижают свою прочность. В зоне избыточного увлажнения с суровым климатом насыпи, возведенные из таких грунтов, даже при незначительных нарушениях требований по возведению, содержанию и ремонту земляного полотна часто подвергаются различным деформациям (сплывам откосов, просадкам основной площадки и др.) [8].
Аргиллиты и алевролиты – сцементированные породы глинистого и пылеватого состава. Образуются при окаменении глинистых и песчано-пылеватых пород вследствие их уплотнения, дегидратации и цементации при диагенезе или на начальной стадии метаморфизма.
Прочность аргиллитов и алевролитов зависит от вида и состава цемента. В условиях естественного залегания эти грунты достаточно прочные, предел прочности на одноосное сжатие колеблется в широких пределах, достигая 100 МПа. В выветрелом состоянии прочность значительно снижается [22].
Слабопрочные разности интенсивно разрушаются в откосах, а также в раздробленном состоянии под действием природных факторов, часто образуют на склонах подвижные осыпи из плитчатой щебенки. При выветривании на склонах аргиллиты превращаются в глину с включениями щебня и при смачивании водой образуют оплывины, а иногда и оползни [22].
Нередко образцы аргиллитов, доставленные из скважин на поверхность, быстро рассыпаются в труху, размокают в воде в течение первых суток [20].
При укладке в тело насыпи аргиллиты и алевролиты, уплотненные при естественной влажности, сильносжимаемы (модуль осадки достигает 85–100 мм/м) и обладают просадочными свойствами. Сжимаемость этих же грунтов, уплотненных при опти-
29
мальной влажности, значительно уменьшается. Следовательно, уплотнение таких грунтов при отсыпке в насыпь должно также производиться при оптимальной влажности [29].
Уплотнение аргиллитов и алевролитов зависит от начальной влажности и процентного содержания мелкозема. Причем наличие мелкозема в смеси ведет к значительному увеличению плотности [30].
Вода, попадающая в грунт, оказывает разрушающее действие, причем более интенсивному разрушению подвергаются крупные обломки материалов [30].
Мергели – грунты, состоящие из смеси глины и углекислой извести или карбоната магния, плотные тонкослоистые, светлого цвета. По содержанию различных компонентов выделяются: мергель гипсовый, глинистый (с содержанием глины до 70...80 %), доломитовый (с высоким содержанием карбоната магния), известковый (с преобладанием извести над глиной) и т.д.
Некоторые разновидности мергелей обладают способностью к набуханию и интенсивному размоканию. Размокание происходит особенно интенсивно при чередующихся смачивании и высушивании породы. Поэтому естественные склоны и откосы выемок, сложенные мергелями, обычно покрыты характерной осыпью мелкого щебня, который при увлажнении оползает [31].
Глинистые мергели податливы выветриванию; попадая под влияние атмосферных агентов, они в течение нескольких суток распадаются на мелкие обломки.
Известковые мергели более стойки к выветриванию. Присутствие кремнезема (кремнистые мергели) также увеличивает прочность породы и ее устойчивость к выветриванию.
Сланцы (глинистые, кремнистые) имеют тонкосланцеватую текстуру, которой нехарактерно изменение их первичного состава. Кристаллические сланцы образуются в результате процессов метаморфизма и характеризуются резким изменением исходного вещества. Тальковые, хлоритовые, глинистые, слюдяные и слюдистые сланцы способны интенсивно разрушаться под воздействием атмосферных факторов и механического воздействия.
Сильно выветрелые полускальные грунты раннего палеозоя: кембрийские алевролиты, аргиллиты и вулканические туфы, кристаллические сланцы – широко распространены в предгорьях и
30