книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

померзлой толщи и внутреннее строение ее инженерно-геологичес­ ких 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. Эго важнейшее качество мерз­ лых грунтов было установлено в 194S г. Н. А. Цытовичем и названо нм принципом равн овесн ого состояния воды и льда в мерзлых грун тах.

Опыт показывает, что при промерзании грунтов, особенно мел­ кодисперсных (глинистых), в лед переходит не вся поровая вода, а лишь часть ее. Дальнейшее понижение температуры сопровожда­ ется 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 трафиками на рис. 2.7. В кварцевых песках практически не содержится связан­ ной воды, все фазовые переходы завершаются при температуре,

та, влажность мерзлого

51

выше СНйЛе.

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 гр у н т (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, Западней 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

52

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...0,16, степень влажности Sr<0,5.

Внешне лёсс представляет собой горную породу палевого цве­ та, маловлажную, слабосцементированную, пыльную в сухом со­ стоянии. При увлажнении образцы лёсса распадаются на мелкие агрегаты. Пористость сухих или слабоувлажненных лёссов обыч­ но 0,4...0,5 и более. Для них характерно наличие крупных, раз­ личимых невооруженным глазом пор. Чаще всего это вертикальные округлые в сечении трубочки с диаметром от сотых долей мил­ лиметра 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 макропористыми. Поры, которые визуально кажутся мелкими, являются очень крупными по отноше­ нию к частицам, слагающим их стенки. При таком соотношении размеров поры сохраняются в грунте только за счет цементации частиц растворимыми минералами (CaC03; CaS04 2H20; NaCl и др.).

Происхождение макропор связывают с корневой системой рас­ тений 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 вертикальные канальцы. Постепенное накапливание толща лёссо­ вых грунтов не приводит к разрушению макропор. Благодаря вер­ тикальной пористости лбесы, несмотря на глинистый состав, об­ ладают хорошей водопроницаемостью в вертикальном направле­ нии, что способствует быстрому и глубокому замачиванию лёс­ совых 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 к 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 просадочны м и. Величина просадки может достигать нескольких десятков сантиметров.

Набухающие грунты. Набухающие грунты встречаются в рай­ онах Поволжья, Закавказья, Казахстана и Крыма. Они широ­

53

ко распространены в Египте, ЮАР, США и других странах. В Ин­ дии, например, около 30% территории сложено набухающими грун­

тами.

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

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 раз­ двигаются, вызывая увеличение объема грунта. Часть зоды про­ никает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к увеличению объема грунта. При уменьшении влажности на­ бухающих грунтов возникает их усадка, приводящая к объемным деформациям.

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 хал» при увлажнении их растворами солей, представляющими со­ бой технологические отходы химических, металлургических и дру­ гих предприятий. Это явление часто называют «химическим набуха­ нием».

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 водонасьпцевные глинистые грунта. К ним обычно от­ носятся илы, ленточные глины, водонасыщенные лёссовы,е 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.

54

И лами называют водонасыщенные современные осадки водо­ емов (морские, лагунные, озерные), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влаж­ ность на границе текучести (w> Wjr), коэффициент пористости е^=0,9. Пресноводный ил называют сапропелем.

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 мелкопесчаная 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 не­ которых других илах присутствуют растворимые минералы в со­ ставе 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 уплот­ нение и упрочнение илов. Они постепенно переходят на глубине 30...50 м в нормальный глинистый грунт текучепластичной кон­ систенции. С глубиной ил не только уплотняется, в нем обычно также уменьшается содержание органики.

Отличительной особенностью илов является то, что в нена­ рушенном состоянии они обладают небольшой структурной про­ чностью. Передача на илы давлений, меньших структурной прочно­ сти, вызывает лишь упругие деформации скелета грунта. Структура илов легко разрушается при статических нагрузках, превышаю­ щих структурную прочность, и особенно при воздействии дина­ мических нагрузок. Однако со временем водно-коллоидные связи в илах восстанавливаются и уплотненный илистый грунт упро­ чняется.

Ленточны е глины (ленточные отложения) — это толща грун­ тов, состоящая из близкого к горизонтальному переслаивания тон­ ких 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 припедниковых озе­ рах во время оледенения Русской равнины.

55

Талыми водами в озера ледника выносились глинистые частицы

ималые обломки минералов, соответствующие размерам пыли

имелкого 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 умень­ шении скоростей в потоках талых вод в озера поступали преиму­ щественно мельчайшие пылеватые и глинистые частицы. В это время песчаный прослой закрывался по всей площади озера глинис­ тым. Таким образом, пара прослоев соответствовала годичному циклу.

Вкатегорию особых грунтов ленточные глины попадают из-за

своеобразия текстуры, из-за тонкой горизонтальной слоистости, которая создает особые свойства описываемых отложений. Слоис­ тая текстура вызывает анизотропию свойств. Очевидно, что водо­ проницаемость толщи вдоль прослоев значительно больше, чем в поперечном направлении. Различие в водопроницаемости в гори­ зонтальном 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 не­ редко превышает единицу. Грунты обычно находятся в водонасы­ щенном 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, лен­ точные отложения находятся в скрытопластичном состоянии или даже в скрытотекучем. Этому способствует тесное соседство песча­ ных и глинистых прослоев.

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

Торф и заторфованные 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.

Т орф ом называют органические отложения, не менее чем на 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 степени разложения, что делает торфы неоднородными даже в пределах одной залежи. Еще более разнообразны торфы различных болот.

Органоминеральные образования — песчаные, пылеватые и гли­ нистые, содержащие торф в количестве от 10 до 50% массы сухого вещества, называют заторф ован ны м и грунтам и .

56

Состояние и свойства торфа и заторфованных грунтов в боль­ шой мере зависят от степени разложения органических остатков, переходящих в гумус, и относительного содержания в них неор­ ганических минералов. Содержание гумуса в торфе повышается с увеличением степени его разложения. Плотность торфа обычно не превышает i...l,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 боль­ шого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сло­ женных торфом или содержащих включения заторфованных грун­ тов, бывают значительны и затухают очень медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов также крайне невели­ ка. Поэтому напластования, содержащие заторфованные грунты, относятся к наихудшим типам оснований сооружений.

Засоленные грунты. Засолённые грунты широко представлены в Казахстане, Средней Азии, Азербайджане, на Украине и в север­ ных приморских районах, Прикаспии.

Кэтой разновидности относятся крупнообломочные, песчаные

иглинистые грунты, содержащие определенное количество легко-

исреднерастворимых солей.

Легкорастворимыми солями являются хлористые, серно-кислые и карбонатные соли натрия, калия и магния (галит NaCl, сода NaC03, мирабилит NaS04 и др.), среднерастворимыми — суль­ фат кальция (гипс) CaS04 *2H20 , ангидрит CaS04, кальцит СаСОэ и др.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связа­ на с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого нерав­ номерных просадок. Фильтрующая вода становится раствором вы­ мываемых солей и приобретает агрессивность по отношению к ме­ таллу и бетону.

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

К насыпным относятся грунты природного происхождения с на­ рушенной естественной структурой, а также минеральные отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы, образова­ вшиеся 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 насып­ ными грунтами. Функционирование города с населением 1 млн. жителей связано с образованием отходов, содержащих органику, которые ежегодно складируются в отвалы на территории около

57

испытывают воздействие природных и техногенных процессов. Это порождает огромное многообразие их строения и состояния. В от­ личие от конструкционных материалов, состав которых подбирает­ ся технологами так, чтобы обеспечить необходимые свойства, грун­ ты каждой строительной площадки обладают своими свойствами, что требует каждый раз их самостоятельного изучения.

Протекающие в них процессы видоизменяют состояние и свой­ ства грунтов. Они могут быть крайне медленными, так что к началу строительства массив грунтов может рассматриваться как находя­ щийся в равновесном состоянии. В других случаях (например, при строительстве на территориях, самоуплотнение которых продолжа­ ется) процессы, возникающие в результате строительства сооруже­ ний, будут накладываться на процессы, протекающие сообственно

вмассиве грунтов.

Врезультате строительства сооружения начальное состояние основания нарушается и в грунтах возникают новые процессы. Грунты (скальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые) в раз­ ном состоянии по трещиноватости, плотности, влажности неодина­ ково реагируют на одни и те же нагрузки, и протекающие в них процессы будут приводить к различным результатам. Они могут вызывать смещения отдельных частиц, приводящие к их более плотной или более рыхлой упаковке (уплотнение и разуплотнение грунта), к возникновению в поровой воде разности напоров и ее движению (фильтрация воды в грунте), к большим взаимным пере­ мещениям одной части основания относительно другой (разруше­ ние грунтов основания).

Состояние и свойства грунтов в основании построенного соору­ жения также могут меняться в процессе его эксплуатации (уплотне­ ние от нагрузок, передаваемых сооружением; изменение влажност­

ного режима при колебании уровня подземных вод; оттаивание вечной мерзлоты в основании т. д.). Строительство новых сооруже­ ний рядом с существующими, ведение подземных работ, реконст­ рукция сооружений и т. п. будут приводить к дополнительным воздействиям на грунты основания уже построенных сооружений. В результате в грунтах могут вновь развиваться процессы, ослож­ няющие эксплуатацию сооружений.

Таким образом, грунты основания не только обладают особыми свойствами, но и постоянно (до строительства, во время строитель­ ства и в процессе эксплуатации сооружения) испытывают различ­ ного рода воздействия, изменяющие их состояние и свойства. Это вызывает необходимость разработки совершенно иного подхода к исследованиям, расчетам, проектированию и устройству основа­ ний, чем принятый в инженерной практике для конструкционных материалов. Сказанное в полной мере может быть отнесено и к тем случаям, когда грунты являются материалом сооружения или сре­ дой, в которой оно возводится.

59

Модели механического поведення грунта.- Для надежного н эко­ номичного проектирования сооружений необходимо уметь опреде­ лять изменение напряжений в грунтах основания в результате стро­ ительства, оценивать, будет ли обеспечена прочность грунтов при таком изменении напряжений и какие в результате возникнут де­ формации основания. В конечном счете общая задача, как и в дру­ гих дисциплинах конструкторского цикла, заключается в расчетах напряженно-деформированного состояния грунтов основания, вза­ имодействующего с сооружением, оценке их прочности и устой­ чивости.

Однако из-за указанных выше особенностей поведения грунтов в основании сооружений обычный подход строительной механики для решения этой задачи оказывается недостаточным, возникает необходимость разработки такой модели грунта, которая учиты­ вала бы основные особенности его деформирования, и такого ап­ парата анализа, который позволял бы прогнозировать происходя­ щие в грунтах основания процессы. Для этих целей могут быть использованы м одель дискретной среды или м од ель сплош ­ ной среды.

В первом случае делается попытка отобразить в расчетной мо­ дели физические особенности грунта как дискретного материала, представляя его в виде совокупности отдельных частиц — шаров, дисков, балочек и т. п. (работы Г. И. Покровского, И. И. Канда­ урова, Р. Роу и др.). Однако развитие этого направления встречается с большими сложностями и пока еще не привело к созданию законченной теории деформирования грунтов. Современная меха­ ника грунтов основывается на представлениях о грунтах как о сплошной однородной деформируемой среде.

Такая концепция сплошности вещества, хотя и противоречит представлениям об атомном (дискретном) строении материи, явля­ ется основным постулатом механики сплошной среды. Это обес­ печило разработку мощного математического аппарата с единым подходом к изучению всех твердых тел, жидкостей и газов.

Применительно к грунтам концепция сплошности была утверж­ дена еще в 30-х годах нашего столетия классическими работами

К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича

иуспешно развивается в нашей стране и за рубежом. Однако это потребовало введения ряда предпосылок, упрощающих ре­ альное строение грунта, важнейшие из которых рассматриваются

Во-первых, вводится понятие элем ен тарн ого о б ъ ем а грун­ та, т. е. такого его объема, линейный размер которого во много раз превышает линейный размер частиц или агрегатов, слагающих этот грунт. Тогда понятия напряжений и деформаций относятся уже не к точке как в механике сплошной среды, а к площадкам, соответст­ вующим элементарному объему. Кроме того, размеры образца

60