книги / Механика грунтов

величина внешнего давления носит название «структурной прочности грунта». Если давление на илистый грунт меньше структурной прочности, то свойства его близки к свойствам твердого тела малой прочности, причем, как показывают соот­ ветствующие опыты, ни сжимаемость ила, ни его сопротивление сдвигу практически не зависят от природной влажности *. При этом угол внутреннего трения илистого грунта мал, а сцепле­ ние имеет вполне определенную величину.

При нарушении структурных связей илы переходят в раз­ жиженное состояние, легко выдавливаясь из-под сооружений,, что вызывает неизбежные деформации сооружений и не может быть допущено в их основаниях.

Исходя из общих свойств илов, кратко описанных в настоя­ щем разделе, возникают следующие два способа рациональ­ ного возведения на них сооружений: первый — замена сильно сжимаемых и разжиженных илов более устойчивыми и проч­ ными грунтами, например песком, и второй — уплотнение и уп­ рочнение илов небольшими порциями нагрузок.

Замена песками или галькой применяется при небольшой мощности слоя илов в случае возведения на них насыпей или дамб, когда отсыпаемое тело выдавливает илы в стороны, что продолжается до тех пор, пока насыпь не достигнет плотного грунта.

При втором способе применяют такие порции нагрузок, ко­ торые не могли бы разрушить структурные связи, причем по­ следующую порцию дают лишь тогда, когда закончится осадка ила от предыдущей порции нагрузки. При нагрузке, меньшей структурной прочности, происходит дальнейшее упрочнение ила, так как осадка способствует сближению минеральных частиц и возникновению новых молекулярных связей. Для ускорения осадки илистых грунтов с успехом применяется вертикальный песчаный дренаж, рассчитываемый по формулам пространствен­ ной теории консолидации, что будет изложено в специальной главе.

Наконец, отметим, что илистые грунты обладают свойством

коллоидными связями12. Мельчайшие частицы глины (коллоид­

горных пород и их изменение под влиянием воды. Труды лаборатории гид­ рогеологических проблем, т. XV, 1957.

неральных частиц в воде, что и обусловливает восстановление

.(в известной мере) прежней структуры.

Лессовые просадочные грунты

Большой класс структурно-неустойчивых грунтов составля­

сопровождающиеся частичной или полной потерей сопротив­ ляемости нарушенных масс грунта, а при избыточном увлаж­ нении — выдавливанием грунтов в стороны.

Практика строительства на лессовых грунтах показала, что просадки могут достигать значительной величины. Так, по дан­ ным проф. Ю. М. Абелева *, стена рудного крана Кузнецкого завода примерно за один год осела на 37 см. Огромные осадки сооружений наблюдались на Никопольстрое, Азовстали, За-

30 см, , а после дополнительного увлажнения грунта производ­ ственной водой к декабрю 1934 г. осадка достигала 1 м. Пол­ ная осадка домны на июнь 1941 г. составила 1,37 м. Весьма поучительные примеры осадок и деформаций сооружений на лессовидных грунтах Северного Кавказа приводятся профессо­ рами В. К. Дмоховским12 и Н. Я. Денисовым3.

Свойство лессовых грунтов терять устойчивость своей струк­ туры при увлажнении обусловливает настолько своеобразные строительные качества этих грунтов, что требует особого рас­ смотрения.

Лессовые грунты залегают на значительной части террито­ рии СССР (по данным проф. А. К. Ларионова они занимают более 14% континентальной поверхности СССР4), охватывая почти всю территорию УССР, Северный Кавказ, большую часть Крыма, встречаются в центральной части РСФСР, в Закавказье

я Московской области. Широко распространены лессовые грун­ ты в Туркестане и отчасти в Забайкалье.

Для практики строительства весьма важно уметь отличать просадочные лессовые грунты от обычных, знать особенности механических свойств просадочных грунтов и предусмотреть влияние этих свойств на возводимые сооружения.

ное значение этого вопроса, разные исследователи объясняют по-разному. Существуют две основные гипотезы происхождения

грунтов деятельностью воздушных течений, которые из пустын­ ных областей несут мелкую пыль в смежные с пустынями об­ ласти, где и отлагают ее тонкими слоями. Степная раститель­ ность совместно с выпадающими дождями содействует закреп­ лению пыли; корни и стебли растений, сгнивая, оставляют пу­ стоты, создающие м а к р о п о р и с т о с т ь лессовых отложений. Пористость еще более увеличивается вследствие ходов дожде­ вых червей и землероев.

П о ч в е н н а я г и п о т е з а объясняет образование лессовых •грунтов почвообразовательными процессами, происходящими в сухом климате. При выветривании почв в сухом климате про­ цесс протекает в щелочной среде, причем остающиеся карбо­ наты кальция обволакивают частицы и свертывают их в более крупные агрегаты (частицы диаметром менее 0,01 мм превра­ щаются в частицы диаметром 0,01—0,05 мм), отчего весь грунт приобретает пористое строение. Из произведенных послойных химических анализов лессовых отложений на значительную глубину вытекает, что степень выветренности слоев уменьшает­ ся по мере углубления. Роль карбонатов и гипса (по Толстихину) сводится частично к образованию кристаллов, а частично к цементации тонких продуктов минеральной смеси.

Почвенная гипотеза оказала значительное влияние и на эо­ ловую гипотезу.

Большинство исследователей считает, что основные массы лессовых грунтов образовались э о л о в ы м путем, однако это не исключает возможности происхождения некоторых видов лессовых грунтов и из отложений водных бассейнов, образовав­ шихся при таянии древних ледников, а также при переотложении пылеватых грунтов дождевыми водами. Лессовые породы

1 В. А. О б р у ч е в . Проблемы лесса. «Природа» № 6, 1927. 2 Л . С. Б е р г . Климат и жизнь. Географгиз, 1947.

вых грунтов значительно больше в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, вследствие чего на поверхности лессо­ вых отложений почти никогда не образуется стоячих вод.

4. Н а л и ч и е т в е р д ы х м е р г е л и с т ы х в к л ю ч е н и й . Трубчатые пустоты лессовых грунтов в большинстве случаев покрыты тонким слоем извести; кроме того, отдельные извест­ ковые и мергелистые включения самой разнообразной формы находятся в лессовых грунтах в довольно значительном коли­ честве. При опробовании этих грунтов 3%-ным раствором со­ ляной кислоты наблюдаются бурное вскипание и быстрое пре­ кращение выделения пузырьков газа.

5. Х а р а к т е р н о е р а с п р е д е л е н и е в л а ж н о с т и по глубине с наличием на некотором уровне так называемого «мертвого горизонта» с меньшей по сравнению с вышележа­ щими и нижележащими слоями влажностью. В мертвом гори­ зонте наблюдается максимальное содержание солей. Ниже мертвого горизонта влажность возрастает постепенно, достигая величины максимальной влагоемкости. Отметим также, что, как правило, в толще лессовых пород наблюдаются только два го­ ризонта грунтовых вод: верховодка и нижний горизонт грун­

составу лессовидные грунты характеризуются преобладанием пылеватых фракций (частиц размером от 0,05 до 0,005 мм обычно более 50%) при незначительном содержании глинистых частиц (от 4 до 20%). Как правило, лессовидные грунты отли­ чаются значительной однородностью гранулометрического со­ става, причем коэффициент неоднородности часто бывает не более 5.

По химическому составу главными составными частями лес­ совых грунтов являются: силикаты — от 27 до 90%, глинозем — от 4 до 20% и углекислый кальций — от 6 до 67%.

Из перечисленных внешних признаков лессов и лессовид­ ных грунтов наиболее характерными будут: макропористость, быстрое размокание в воде (в течение 1—2 мин) и наличие карбонатов (вскипание при опробовании кислотой).

Как уже указывалось, характерным свойством макропори­ стых грунтов является их п р о с а д о ч н о с т ь при замачивании под нагрузкой. По нашим опытам, образец лессовидного грунта естественной структуры из Запорожья при испытании на осад­ ку в условиях, исключающих возможность выдавливания грунта в стороны, под нагрузкой 2,5 кг1см2 после замачивания дал

переходу твердых коллоидных пленок в жидкий раствор. Обра­ зующиеся при этом водные пленки вследствие их расклини­ вающего действия2 раздвигают грунтовые частицы, разруша­ ют агрегаты частиц и создают условия, благоприятные для доуплотнения лессовых грунтов. Кроме того, известное значе­ ние в разрушении структуры агрегатов частиц имеет и раство­ рение солей, цементирующих частицы лессовых грунтов, а так­ же действие осмотического давления, возникающего вследствие разности концентрации солей пленочной воды и воды, движу­ щейся по порам при замачивании грунта. Если же лессовые грунты имеют агрегаты частиц, сцементированные не раство­ ряющимися в воде солями, то при замачивании эти грунты, просадок не дают.

Чтобы нарушить структурные связи в лессовых грунтах, одного замачивания недостаточно, необходимо приложить не­ которой величины нагрузку, различную для различной степени сцементированности лессовых грунтов, причем безразлично, бу­ дет ли это собственный вес вышележащих слоев грунта или внешняя нагрузка от сооружения или пробного испытания. При определенной величине нагрузки, прикладываемой одновре­ менно с замачиванием, возникает лавинное разрушение струк­ турных связей грунта, и его структура резко и коренным об­ разом изменяется — возникают просадки.

Для количественной оценки просадочности лессовых грунтов* испытывают их образцы естественной ненарушенной структуры на сжимаемость без возможности бокового расширения, т. е. образцы помещают в жесткое кольцо. Вначале определяют деформации образца при естественной его влажности, а после того, как будет достигнуто проектное давление, образец зама­ чивают до полного насыщения, определяя при этом его дефор­ мацию. В результате разрушения структурных связей, если внешнее давление больше структурной прочности грунта в замо­ ченном состоянии, возникает резкая быстрая осадка (просадка) образца.

Образец грунта необходимо замачивать при нагрузке, со­ ответствующей сумме природного давления и давления (сжи­ мающего напряжения), которое будет в грунте от сооружения на глубине взятия образца3, т. е. при

1 Н. Я. Д е н и с о в . О природе просадочных явлений в лессовидных су­ глинках. Изд-во «Советская наука», 1946.

2 Б. В. Д е р я г и н . Упругие свойства тонких слоев воды. ЖФХ, вып. 1,. 1932.

3 Методы определения сжимающих напряжений в грунтах от действия* внешней нагрузки изложены в главе III.

По результатам испытания грунта при давлении р опреде­ ляют о т н о с и т е л ь н у ю п р о с а д о ч н о с т ь макропористых лессовых грунтов, которая равна

Здесь суммирование необходимо распространить на все слои (от подошвы фундамента до глубины залегания всей просадочтюй толщи), а величину относительной просадочности опреде­ лять с учетом фактического давления на грунт от внешней на­ грузки и вышележащих слоев грунта.

По величине максимальной просадки всей просадочной тол­ щи обычно и назначают противопросадочные мероприятия, ос­ новными из которых является всемерное недопущение зама­ чивания грунтов под сооружениями или создание таких кон­ структивных особенностей сооружений, которые обеспечили бы их малую чувствительность к неравномерным осадкам (кон­ струирование зданий из отдельных жестких блоков, допускаю­ щих независимость оседания; применение устройств, регули­ рующих высоту отдельных частей сооружения, и т. п.). Вопрос о том, какая часть просадочной толщи составит активную зону, обусловливающую деформации фундаментов данных размеров при имеющейся фактической на них нагрузке, потребует спе­ циального рассмотрения на основе решений механики грунтов.

мачиванию с одновременным загружением, необходимо учи­

из макропористого структурного состояния в бесструктурную

лизационных связей, суффозией (вымывом) мельчайших частиц и ползучестью скелета грунта при длительном действии филь­ трации.

Общая деформация просадочных грунтов при малой их ве­ личине, как показано проф. Г. М. Ломизе1, будет определяться общими зависимостями теории линейно-деформируемых тел и может оцениваться как по результатам испытаний без возмож­ ности бокового расширения грунта, так и по данным трехосных испытаний. При этом, согласно произведенным исследованиям (Г. М. Ломизе, М. Н. Гольдштейна2, А. Л. Рубинштейна идр.3). просадка лессовых грунтов обусловливается не только верти­ кальными деформациями, но и способностью окружающей тол­ щи проседать (деформироваться) в горизонтальном направле­ нии и зависит как от вертикальных сжимающих напряжений, так (по исследованиям в Московском инженерно-строительном институте) и от соотношения главных напряжений и их раз­ ности.

Свойства лессовых грунтов в процессе их просадки резко изменяются. Так, по данным проф. М. Н. Гольдштейна4, сопро­ тивление замоченного грунта сдвигу снижается в несколько раз (угол внутреннего трения в 1,5—2 раза, сцепление до 10 раз и более, а коэффициент Пуассона возрастает до {* =0,34^-0,40). Эти данные показывают, что несущая способность лессовых грунтов после нарушения их структурной связности в процессе просадки при замачивании под нагрузкой чрезвычайно падает, и грунты легко выдавливаются из-под подошвы фундаментов

Вопросы строительства на лессовых грунтах. Доклады на межвузовской на­