книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

тельные напряжения и трещины, которые могут привести к их полному разрушению.

Механизм просадки лёссового грунта при замачивании под на­ грузкой носит сложнейший характер и обусловлен сложными физи­ ко-химическими и механическими факторами, главные из них — растворение солей на контакте частиц при замачивании, расклини­ вающее действие воды и ослабление этих контактов, величина

фракций монтмориллонита, могут наблюдаться явления набуха­ ния, а при чрезмерно больших напряжениях (6 кгс/см2 и более) в зависимости от естественной влажности-плотности относительная просадочность уменьшается.

где Ао — начальный параметр прямолинейного участка, так назы­ ваемый коэффициент просадки; mv0— коэффициент относительной сжимаемости; р — действующая нагрузка.

В случаях, когда относительная просадочность еПр>0,02, грунт считается просадочным и общую суммарную просадку толщи просадочных грунтов определяют по формуле

ент условий работы, учитывающий, боковое перемещение грунта при протекании просадбчных деформаций и принимаемый в зави­ симости от ширины фундамента сооружения по СНиП II-15—74.

Влияние влагопереноса на процесс формирования напряженно­ го состояния. Относительная просадочность не всегда может харак­ теризовать процесс формирования напряженно-деформированного состояния в массивах лёссовых грунтов, находящихся в условиях сложного напряженного состояния и разделенных на увлажненную и недоувлажненнуго зоны с четкой границей (меняющейся во вре­ мени) .

По данным В. П. Ананьева и Я. Д. Гильмана (1976), модуль деформации водонасыщенного лёссового грунта в условиях Рос­ товской области составляет 20—40 кгс/см2, а естественного— 100—

ном и насыщенном водой состояниях могут характеризоваться де­ формационными параметрами (модулями деформаций), отличаю­ щимися в несколько раз (до 10), причем коэффициент Пуассона, меняется незначительно — в пределах от 0,3 до 0,4 (В. П. Ананьев, Я. Д. Гильман и др., 1976).

На основании этого Я. Д. Гильманом была предложена модель двухслойного основания, состоящая из увлажненного и естествен­ ного слоев.

Явление просадочности оказывает определяющее влияние на процесс формирования напряженно-деформированного состояния массива лёссового грунта, особенно в тех случаях, когда граница раздела зон грунта в естественном и увлажненном состояниях не прямая линия, а криволинейная и может иметь замкнутый вид (локальное замачивание), причем начальное напряженное - состоя­ ние может трансформироваться в пространстве и во времени по мере расширения области увлажнения. Процесс влагопереноса и возникающих в связи с этим напряжений в массивах неводонасышенных грунтов совершенно аналогичен процессу формирования термонапряженного состояния.

Одномерное уплотнение слоя лёссового грунта при замачивании.

Рассмотрим одномерную задачу уплотнения слоя неводоиасыщенного просадочного грунта в результате замачивания при инфиль­ трации поверхностных вод, воздействия внешней нагрузки и соб­ ственного веса (рис. 5.9, а) .

Вследствие большого коэффициента фильтрации и практически несжимаемости грунтов за фронтом замачивания процесс фильтра­ ции будет соответствовать установившемуся режиму и основная часть просадки будет происходить, на фронте замачивания. В этом случае расход воды на фронте замачивания определится изменени­ ем водосодержаиия в элементарном слое dz за время dt\

где Yd — изменяющаяся с глубиной объемная масса скелета в ус­ ловиях естественного залегания; во(z) , Iw(z) — изменяющиеся с глубиной коэффициенты начальной пористости и водонасыщения; £np(z)— изменяющаяся с глубиной величина относительной про­ садки, определяемая по выражению (5.15), которое с учетом соб­ ственного веса грунта в нашем случае принимает вид

где AQ(Z ) — изменяющийся коэффициент просадки, зависящий в общем случае от глубины расположения слоя, т. е. от влажности и нагрузки; mv0 — изменяющийся с глубиной коэффициент относи­ тельной сжимаемости; уп— объемная масса грунта в насыщенном состоянии.

Рассмотрим частный случай, когда слой грунта по глубине од­ нороден:

Уз

Тогда исходное дифференциальное уравнение (5.16) принимает вил

где Нк — напор капиллярного вакуума на фронте замачивания, за­ висящий от начальной плотности-влажности грунта;

Заметим, что при я= 0 уравнение (5.16а) принимает вид, полу­ ченный П. Я. Полубариновой-Кочиной (1977) для недеформируемой пористой среды.

Решение (5.16а) с учетом начального условия z ( 0 ) = 0 имеет вид

—— In (1 + — ) — - \ — ( z - 2 H * ) 4 - H * \ n ( 1 -(- — )1= J ± - t ,

Н * [ ~ t f * J т ' [ 2 Н * К \ 1 Н * ) \ тН* ’

(5.19)

где Н*=Н0+НК.

При я=0, т. е. при отсутствии просадочности на фронте зама­ чивания, это решение совпадает с решением, полученным П. Я. По­ лубариновой-Кочиной:

Из решения (5.19) видно, что z растет с затухающей во времени скоростью. Зная закон изменения z во времени, легко определить и величину просадки во времени:

Рассмотрим задачу, отвечающую условиям замачивания слоя толщиной h снизу вверх вследствие капиллярного поднятия уровня грунтовых вод в подстилающем слое (рис. 5.9, б) на высоту Нк, тогда дифференциальное уравнение (5.16а) примет вид

Из условия задачи известно, что при t->-оо z-кЯ*, так как уро­

z(t) для случаев инфильтрации влаги через поверхность слоя при лт^0ия=0, а также для случая замачивания снизу.

Изложенные выше задачи могут быть использованы также в первом приближении для определения величины просадки основа­ ний сооружений во времени при интенсивной инфильтрации или поднятии уровня грунтовых вод.

Особенности строительства на лёссовых просадочных грунтах. При строительстве на лёссовых просадочных грунтах необходимо принимать особые меры, которые сводятся в основном к недопуще­ нию замачивания грунтов оснований сооружений и к такому их укреплению, чтобы они стали иепросадочными. Однако осущест­ вить эти меры удается не всегда. Вместе с тем деформации про­ садки как таковые учитываются только при величине относительной

сиве лёссового грунта при вла­ гопереносе.

К мерам, уменьшающим просадочные явления в основаниях со­ оружений, следует отнести: устройство водонепроницаемых отмос­ ток и обратной засыпки, предварительное уплотнение тяжелыми трамбовками (при небольшой мощности), устройство грунтовых свай, общее уплотнение предварительным замачиванием под на­ грузкой или взрывом, химическое и термическое закрепление, ор­ ганизованное предварительное увлажнение лёссовых грунтов в ос­ новании сооружений.

Предусматривают также конструктивные меры: фундаменты под стены делают глубокими, монолитными, сооружение усили­ вают железобетонными поясами, конструкции сооружения про­ ектируют менее чувствительными к неравномерным осадкам, во­ допроводные и канализационные трубопроводы тщательно изо­ лируют.

Все эти меры, однако, часто, недостаточны и приходится проре­ зать всю просадочную толщу грунтов для фундамента глубокого заложения.

5.5. ВОПРОСЫ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА НАБУХАЮЩИХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ

Характеристика набухающих глинистых грунтов. Набухающие глинистые грунты довольно широко распространены в СССР (в По­ волжье, на Северном Кавказе, в Казахстане, Крыму и других юж­ ных районах), в Азии (Индия, Ирак, Иран), в Америке (Канада, США), в Африке (ЮАР, Судан и др.).

Многие сооружения, возводимые на набухающих глинистых грунтах, с течением времени деформируются вследствие неравно­ мерного набухания грунтов оснований при их увлажнении, что вы­ зывает перенапряжения в конструкциях и трещинообразования в них.

Набухание маловлажных неводонасыщенных глинистых грун­ тов при их увлажнении представляет сложный физический и физи­ ко-химический процесс, обусловленный главным образом адсорб­ цией воды поверхностью глинистых частиц, сорбцией водно-колло­

грунта в естественном состоянии, от величины действующего дав­ ления.

Современные представления о генезисе и механизме набухания глин. В настоящее время широко дискутируется вопрос о генезисе набухающих грунтов, типичными представителями которых явля­ ются черно-хлопковые глины, имеющие широкое распространение в Азии и Африке.

Механизм образования набухающих глин носит сложный ха­ рактер; его связывают с накоплением в продуктах выветривания горных пород ионов щелочных и щелочноземельных металлов крем­ незема, вследствие чего формируется монтмориллонит, полигорскит, кремнистые соединения (М. Н. Гольдштейн, 1973).

Щелочная реакция возникает в том случае, когда раствор со­ держит ионы Na, К, Са, Mg. Для образования иллита необходим К, а монтмориллонита и полигорскита — Mg.

Образование черно-хлопковых монтмориллонитовых глин в Су­ дане (X. Кудуда, 1975) связывают с условиями полузасушливого климата и слабого промывания почв, содержащих Са, Mg, Fe, Al.

Наиболее важными свойствами минералов, определяющими, в частности, характер взаимодействия их с водой, являются строение кристаллической решетки и способность к ионному обмену. Для глинистого минерала монтмориллонита, например, при взаимодей-

онной консолидации. Пусть поверхность неводонасыщенного глини­ стого грунта толщиной Л, находящегося под нагрузкой р —const, в момент времени /= 0 залита водой, которая, проникая вглубь, вы­ зывает набухание во времени (рис. 5.15).

На фронте замачивания кроме процесса насыщения пор водой происходит также первичное набухание, которое составляет основ­ ную часть всего набухания. Объем воды, необходимый для запол-

S„,MM

о в ,кгс/см2

определяться выражением V = yde0( l—Iw)/yw, а изменение пористо­ сти на фронте замачивания в увлажненной прослойке — величиной первичного относительного набу­