книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

понятие. Если известно пятно застройки сооружения, то рассмат­ риваемой областью будет, по существу, основание этого сооруже­ ния, т. е. та часть массива, в которой под влиянием нагрузок от сооружения происходят деформации грунта. Поскольку инженерно­ геологическая модель массива грунта часто строится до выбора конкретного места для сооружения, рассматриваемой областью будет являться вся часть слоистой толщи или массива, попадающая на геологический разрез. Тогда слоем будет геологическое тело, границы которого пересекают вертикальные границы разреза; лин­ зой — геологическое тело, замкнутое внутри разреза.

Если геологическое тело входит с одной стороны в разрез и зака­ нчивается в нем, говорят, что имеет место выклинивание слоя.

Мощности слоев и линз могут быть невелики (несколько де­ циметров), но могут быть и значительны. Обычно мощность слоев и линз изменяется в пределах метров, но иногда достигает 10 и даже 30 м. Однородные слои мощностью более указанных значений встречаются крайне редко. Мощность слоя в таких слу­ чаях на разрезе может быть показана лишь частично. В расчетной схеме такой мощный слой обычно рассматривается как полупро­ странство.

Слои мощностью менее 0,5 м, как правило, не выделяются. Их необходимо выделять только в тех случаях, когда такой маломощ­ ный слой сложен породой с резко отличными инженерно-геологи­ ческими свойствами. Например, выделяется песчаный водопроводя­ щий слой среди суглинка или слой слабого глинистого грунта среди водонасыщенных песков и т. п. В подобных случаях в инженерно­ геологической модели показывают даже совсем тонкие слои, кото­ рые не могут быть изображены в масштабе разреза.

Очень тонкое однородное геологическое тело, ограниченное дву­ мя непересекающимися поверхностями, называют прослоем (5 на рис. 2.3).

Врасчетной схеме прослой часто моделируют поверхностью,

впростейшем случае — плоскостью. Правильное изображение про­ слоев имеет исключительно большое значение, например, при про­ гнозе устойчивости склонов и при расчете фильтрации.

Ж ила —- это внутренне однородное геологическое тело, протя­ женное и пересекающее слои.

Жилы обычно располагаются вертикально или наклонно. Жилы и подобные им более мощные тела (дайки) встречаются обычно в скальных грунтах, где они не нарушают прочности массива. В нескальных грунтах практически термин «жила» применяется исключительно в словосочетании «жила льда», так как скопление льда в мерзлых породах в форме жил, а также линз, значительно ослабляет основание и детально изучается при изысканиях.

Наряду с внутренне однородными телами в толще грунтов геологи выделяют зоны, например зону выветривания или зону повышенной трещиноватости у разрыва.

41

Зоной называют часть массива или толщи, где происходят закономерные постепенные изменения свойств грунтов с глубиной или же в каком-либо другом определенном направлении, например по нормали к крупной наклонной трещине. Зона — это область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

Зоны выделяются обычно в тех случах, когда закономерные изменения прослеживаются в пределах нескольких метров по раз­ резу.

Границы между геологическими телами. Определение границ между геологическими телами при построении инженерно-геологи­ ческой модели массива грунта или геологического разреза далеко не всегда оказывается простым делом. Необходимо помнить, что стро­ ение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полу­ ченных по отдельным вертикалям (бурение скважин, геофизическая разведка и т. п.УВЗависимости от расстояния между этими вертика­ лями и условшгббразования грунтов границы, показанные на разрезё, будут лишь более или менее соответствовать действительным.

В природе границы между геологическими телами могут быть резкими или неопределенными («размазанными»). Например, если на коренное ложе долины, промытое в скальной породе, река откладывает песок, то граница между скалой и песком будет обяза­ тельно резкой. Внутри же аллювиальных отложений слой песка с вышележащим слоем супеси может быть связан постепенным переходом. Установить границу между ними можно лишь условно, по изменению числа пластичности 1Р. Граница между песком и супе­ сью, зафиксированная инженерно-геологической разведкой, может не отмечаться «на глаз» в котловане. Это, однако, не значит, что она не существует.

Границы, как резкие, так и условные, могут быть плавными или очень сложными по форме. На разрезе же они изображаются оди­ наковой тонкой линией (рис. 2.4). Границы между геологическими телами, например в толще ледниковых и водно-ледниковых отложе­ ний, могут быть очень неправильными по форме, извилистыми, но зачастую резкими (рис. 2.4, а). Неоднородность строения леднико­ вой толщи может существенно осложнять строительство.

Еще более сложной является граница между коренной породой и продуктами ее выветривания — элювием. Эта граница обычно то поднимается к поверхности, то погружается на глубину в несколько метров. Выявление границы элювия только в 2...3 вертикалях почти ничего не говорит о ее положении между этими вертикалями. Проведение спрямленной границы между скважинами может приве­ сти к значительным ошибкам по глубине (сравните в и г на рис. 2.4). Поэтому при строительстве на элювиальных грунтах часто прихо­ дится углублять котлованы ниже проектной отметки, чтобы вынуть сильно выбетрелые грунты и поставить фундаменты по всей длине сооружения на скалу.

42

fl)

50м

45

40

35

ш х ш ш ш

го зо 40М

--б

Рис. 2.4. Формы геологических границ в грунтовых толгцах различного происхож­ дения:

а— ледниковые и водно-ледниковые отложения; б — морскиеи озерныеотложения;

в— элювий; г — элювий (детализация); 1 — песок; 2 — суглинок; 3 — то же, с

включением крупнообломочного материала; 4 — крупнообломочные грунты; 5 — гранитвыветрелый, трещиноватый; 6 — граница между геологическими телами

Совершенно другой характер имеют геологические границы в морских и озерных отложениях (рис. 2.4, б). Они, как правило, близки по форме к горизонтальной плоскости. Здесь производителя работ, который сверяет проектный геологический разрез с натурой, ожидает минимум неожиданностей.

Значение данных о геологическом строении основания для стро­ ительства. Из изложенного ясно, что геологическое строение ос­ нования проектируемого сооружения может быть весьма сложным. Поскольку геологический разрез является основой для построения расчетной схемы взаимодействия сооружения и основания, следует стремиться с наибольшей точностью определять местоположение различных геологических тел и границ между ними. Не менее важны тщательное проведение опытов по определению физико-механичес­ ких характеристик грунтов и статистическая обработка результатов испытаний.

43

Проведение изысканий регламентируется нормативными доку­ ментами и действующими инструкциями. Инженерно-геологические изыскания должны производиться, как правило, территориальными изыскательскими, а также специализированными изыскательскими и проектно-изыскательскими организациями.

Повышение качества инженерных изысканий позволяет при про­ ектировании фундаментов резко повысить технико-экономические показатели. Так, опыт ряда проектных институтов свидетельствует о том, что увеличение затрат на изыскания на 5...10% дает возмож­ ность снизить стоимость фундаментов на 20„.30%.

2.5. Особые виды грунтов с неустойчивыми структурными связями

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

При всем различии условий природного образования и последу­ ющего изменения этим грунтам свойственна общая особенность — способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и экс­ плуатации 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 спосо­ бности оснований, развитию недопустимых для сооружения дефор­ маций. '

Причины указанных процессов заключаются в том, что струк­ турные связи в этих грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению при определенных воздействиях факторами. Поэтому такие грунты часто называют структурно-неустойчивыми грунтами. Рассмотрим происхождение, состав, структурно-тек­ стурные особенности, распространение и формы залегания струк­ турно-неустойчивых грунтов. Методы строительства на структур­ но-неустойчивых грунтах будут рассмотрены в гл. 15.

Мерзлые и вечномерзлые грунты. Почти на всей территории бывшего СССР температура воздуха зимой опускается ниже 0 °С. В результате длительного воздействия отрицательной температуры происходит промерзание грунта с поверхности на некоторую глуби­ ну. В весенне-летнее время, с установлением положительной тем­ пературы воздуха, промерзший спой грунта оттаивает. В обширных районах Севера и Северо-Востока на территории, составляющей около 47% всей суши бывшего СССР, среднегодовая температура

44

воздуха оказывается ниже О °С. 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 норовой воды в твердую фазу — лед.

Грунты всех видов относятся к мерзлым, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грун­ ты называют вечномерзлыми, если в условиях природного зале­ гания они находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаива­ ния) в течение многих (трех и более) лет.

Мерзлые и вечномерзлые грунты из-за наличия в них льдоце­ ментных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми природными образованиями. Однако при повышении или понижении температуры (даже в об­ ласти отрицательных значений температуры) за счет оттаивания части льда или замерзания части поровой вода их свойства могут изменяться. При оттаивании перового льда структурные льдоце­ ментные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномёрзлых грунтов, особенно сильнольдисше пылевато-глинистые грунты, при этом могут перехо­ дить в разжиженное состояние.

Строение верхних зон земной коры зависит от географо-клима­ тических условий района. На большей части европейской террито­ рии России (исключая северо-восточную оконечность Кольского полуострова), в Западной Сибири и Средней Азии толща грунта в зимнее время промерзает на некоторую глубину, а летом от­ таивает. Ниже расположен постоянно талый грунт. Попеременно замерзающий и оттаивающий слой грунта называют деятельны м слоем (рис. 2.5, а). На Севере и в Восточной Сибири ниже деятель­ ного слоя располагается толща вечномерзлого грунта. В этом слу­ чае поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаива­ ющий летом, называют слоем сезонного оттаивания, если он

45

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 от­ мечается островное залегание вечномерзлых грунтов, перемежа­ ющееся территориями с отсутствием вечной мерзлоты. На севере и северо-востоке от нее находится вторая зона (среднегодовые температуры грунтов —1...—3 °С, мощность вечной мерздоты 40...150 м), являющаяся переходом от прерывистого к относительно сплошному распространению вечной мерзлоты. В результате отеп­ ляющего влияния водсй:Мрв, рек, деятельности человека в этих зонах возможно образование сквозных таликов — толщ незамер­ зающих грунтов. Далее на север и северо-восток со сложными границами располагаются зоны сплошного распространения мерз­ лых толщ (третья зона — среднегодовая температура грунтов от —3 до —5°С, мощность вечной мерзлоты до 200...250 м; четвер­ тая — температура от —5 до —10°С, мощность до 400...600 м и бо­ лее, занимающая значительную часть Якутии и северо-восточной оконечности страны; пятая зона относится к арктическому побере­ жью). Здесь уже талики, как правило, не являются сквозными, а приурочены только к местным отепляющим факторам.

Мерзлые и вечномерзлые грунты отличаются характерной мо­ розной текстурой, обусловленной содержанием и расположением

вних льда. Различают массивную (слитную ) текстуру, когда лед содержится только в порах грунта и видимые прослойки льда отсутствуют. Такая текстура свойственна крупнообломочным и пес­ чаным, а также маловлажным пылевато-глинистым грунтам. В слу­ чае слоистой текстуры, характерной для пылевато-глинистых грунтов, промерзающих при подтоке воды, лед содержится в грунте

ввиде удлиненных включений (шлиров) различных размеров, ори­ ентированных примерно в одном направлении. Сетчатая (ячеис­

тая) текстура свойственна сильно обводненным пылевато-глинис­

тым и скальным грунтам. Шлиры и прослои льда в этом случае

образуют сложную сеть, толщина их может измеряться сантимет­ рами. Наконец, в рыхлых крупнообломочных грунтах может форм­

ироваться 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 мет­ ров. Схематический разрез вечномерзлой толщи и внутреннее стро­

ение ее инженерно-геологических элементов приведены на рис. 2.6. Содержание льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах, а следова­ тельно, и их состояние по прочности и деформируемости существен­ ным образом зависят от изменения внешних воздействий, прежде всего отрицательной температуры. Это важнейшее качество мерз­ лых грунтов было установлено в 1945 г. Н. А. Цытовичем и названо им принципом равновесного состояния воды и льда

в мерзлых грунтах.

46

Опыт показывает, что при промерзании грунтов, особенно мелкодисперсных (пылевато-глинистых), в лед переходит не вся норовая вода, а 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 тем­ пературе находится в незамерзшем состоянии. Это хорошо ил­ люстрируется графиками на рис. 2.7. В кварцевых песках пра­ ктически не содержится связанной воды, все фазовые переходы завершаются при температуре, близкой к О°С, В глинистых грунтах с увеличением содержания глинистых частиц относительное со­ держание связанной воды возрастает, что ведет к увеличению количества незамерзшей воды при данной температуре.

Указанные особенности мерзлых грунтов вызывают необходи­ мость введения при их рассмотрении дополнительных физических характеристик. В соответствии со СНиП 2.02.04 — 88 «Основания й фундаменты на вечномерзлых грунтах» к ним относятся различ-

47

ыые 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 (суммар­ ная льдистость мерзлого грунта и льдистость мерзлого грунта за счет ледяных включений); ряд других показателей (степень заполне­ ния объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой, температура начала замерзания воды в порах грунта). Кроме того, для расчетов промерзания — оттаивания грунтов используются те­ плсфизические характеристики: теплопроводность, объемная тепло­ емкость, различающиеся для талого и мерзлого грунта, и теплота таяния (замерзания) грунта.

Физический смысл этих характеристик и способы их определения подробно рассмотрены в указанном выше СНиПе.

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

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

Лёссовые грунты (лёссы). Около 14% континентальной части бывшего СССР покрыто лёссовыми грунтами. Они распространены на значительной части юга европейской территории включая Укра­ ину, Центральный Крым, Северный Кавказ, Поволжье, часть Бела­ руси. Большие территории Средней Азии, Закавказья, Западной Сибири также покрыты лёссовыми грунтами. Равнинные террито­ рии многих стран Азии с сухим климатом (Монголии, Китая, Афганистана, Ирана и др.) сложены лёссовыми грунтами. Мощ­ ность 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 отличают­ ся 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 составу и числу пластичности лёссовые грунты относятся к пылева­ тым супесям и суглинкам. Влажность лёссовых грунтов в естествен­ ном состоянии обычно не превышает 0,08...0Д6, степень влажности S',.<0,5.

Внешне лёсс представляет собой горную породу палевого цвета, маловлажную, слабосцементированную, пыльную в сухом состоя­ нии. При увлажнении образцы лёсса распадаются на мелкие аг­ регаты. Пористость сухих и™ слабо увлажненных лёссов обычно

48

0,4..-0,5 и более. Для них характерно наличие крупных, различимых невооруженным глазом пор. Чаще всего это вертикальные округлые в сечении трубочки с диаметром от сотых долей миллиметра до миллиметра, редко больше. Важно подчеркнуть, что размер пор значительно превышает размер частиц грунта. Именно в связи с таким соотношением диаметра пор и диаметра частиц лёссовые грунты называют макропористы ми. Поры, которые визуально кажутся мелкими, являются очень крупными по отношению к ча­ стицам, слагающим их стенки. При таком соотношении размеров поры сохраняются в грунте только за счет цементации частиц растворимыми минералами (CaS03; CaSQ4-2H20; NaCl и др.).

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

При природной влажности лёссовые грунты за счет цементаци­ онных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой до 10 м и более. Увлажнение лёссов приводит ^растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей про­ чности грунта, значительными и быстро развивающимися дефор­ мациями уплотнения— просадками. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными.

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

К набухающим относят глинистые грунты с большим содержа­ нием гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит, ка­ олинит, гидрослюды) и малой влажностью в природном состоянии

(w<wP).

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 рас­ положении частиц под действием гидратвых оболочек они раз­ двигаются, вызывая увеличение, объема грунта. Часть воды прони­ кает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к уве­ личению объема грунта. При уменьшении влажности набухающих

49

грунтов возникает их усадка, приводящая к объемным дефор­ мациям.

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

Увлажнение может быть вызвано повышением уровня подзем­ ных вод, накоплением дополнительной влаги под сооружением 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 набу­ хать при увлажнении их растворами солей, представляющими со­ бой технологические отходы химических, металлургических и дру­ гих предприятий. Это явление часто называют «химическим набуха­ нием». j

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

Слабые водонасыщеняые глинистые грунты. К ним обычно от­ носятся илы; ленточные глины, водонасыщенные лёссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов. Характерными осо­ бенностями таких грунтов являются их высокая пористость в при­ родном состоянии, насыщенность Водой, малая прочность и боль­ шая деформируемость.

И лами называют водонасыщенные современные осадки водо­ емов (морские, лагунные, озерные, речные, болотные илы), образо­ вавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влажность на границе текучести (w>wI), коэф­

По составу илы отличаются от других глинистых грунтов повы­ шенным содержанием органических остатков, которые постепенно разлагаются в процессе естественного упрочнения породы, на что при отсутствии доступа кислорода уходят многие годы. Органичес­ кие 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 мелколесчаная фрак­ ция. Более крупные обломки практически отсутствуют. Наряду с кварцем, полевыми шпатами и глинистыми минералами, состав­ ляющими основную массу всякого ила, в морских, лагунных и неко-

50