Свойства грунтов

1. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ
1. Общие положения
1.1 Расчет фундаментов следует производить по несущей способности и по деформации пучения. Деформации фундаментов, вызванные морозным пучением грунтов, не должны превосходить предельных деформаций, которые зависят от конструктивных особенностей зданий.
1.2 При проектировании фундаментов на пучинистых грунтах необходимо предусматривать мероприятия (инженерно-мелиоративные, строительно-конструктивные и др.), направленные на уменьшение деформаций зданий и сооружений.
Выбор типа и конструкции фундамента, способа подготовки основания и других мероприятий по уменьшению неравномерных деформаций здания от морозного пучения должен решаться на основе технико-экономического анализа с учетом конкретных условий строительства.
2. Конструктивные мероприятия при использовании фундаментов в пучинистых грунтах
2.1 Для зданий с малонагруженными фундаментами следует применять такие конструктивные решения, которые направлены на снижение сил морозного пучения и деформаций конструкций зданий, а также на приспособление зданий к неравномерным перемещениям оснований.
2.2 Конструктивные мероприятия назначаются в зависимости от типа свайного фундамента, конструктивных особенностей здания и степени пучинистости грунта основания, определяемой в соответствии с «Ведомственными строительными нормами по проектированию мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах» (ВСН 29-85).
2.3 В зданиях с несущими стенами короткие буронабивные сваи на среднепучинистых грунтах должны быть жестко связаны между собой фундаментными балками (ростверками), объединенными в единую рамную систему. При безростверковом решении фундаментов крупнопанельных зданий жестко соединяются между собой цокольные панели.
На практически непучинистых и слабопучинистых грунтах элементы ростверков соединять между собой не требуется.
2.4 При использовании в зданиях с несущими стенами пирамидальных свай требование жестко соединять между собой элементы ростверков следует выполнять при строительстве на среднепучинистых (с интенсивностью пучения более 0,05) грунтах. Интенсивность пучения грунта определяется в соответствии с ВСН 29-85.
2.5 В необходимых случаях для увеличения жесткости стен зданий, строящихся на среднепучинистых грунтах, следует предусматривать устройство армированных или железобетонных поясов над проемами верхнего этажа и в уровне перекрытий.
2.6 При устройстве свайных фундаментов необходимо предусматривать зазор между ростверками и планировочной поверхностью грунта, который должен быть не менее расчетной деформации пучения ненагруженного грунта. Последняя определяется в соответствии с ВСН 29-85.
2.7 Протяженные здания следует разрезать по всей высоте на отдельные отсеки, длина которых принимается: для слабопучинистых грунтов до 30 м, среднепучинистых — до 25 м.
2.8 Секции зданий, имеющие разную высоту, следует устраивать на раздельных фундаментах.
3. Расчет оснований фундаментов на действие вертикальных нагрузок
3.1 Расчетная вертикальная нагрузка Р, кН, допускаемая на сваю определяется по формуле
/> (3.1)
где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю;
Fd — расчетная несущая способность сваи по грунту;
/> — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,25, если несущая способность сваи определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой или расчетом по деформациям.
3.2 Расчетная несущая способность короткой буронабивной сваи по грунту определяется по формуле
/>(3.2)
где К0 — коэффициент пропорциональности, равный отношению нагрузки на пяту сваи к общей нагрузке при предельной осадке сваи S0, принимаемой равной 8 см: коэффициент К0 зависит от отношения длины сваи l к ее диаметру d и консистенции грунтов. Для грунтов твердой и полутвердой консистенции при l/d />3,75 К0=0,45; при 3,75 5 К0=0,40; при 5 7,5 К0=0,37. Для грунтов тугопластичной консистенции при указанных отношениях l/d коэффициент К0 равен соответственно 0,5; 0,45 и 0,40. Для грунтов мягкопластичной консистенции — 0,55; 0,5 и 0,45;
/> — коэффициент, учитывающий нарастание осадки сваи во времени, принимаемый равным:
0,5 — для пылевато-глинистых грунтов твердой консистенции;
0,4 — для пылевато-глинистых грунтов полутвердой и тугопластичной консистенции;
0,3 — для пылевато-глинистых грунтов мягкопластичной консистенции;
Sпр. ср. — предельно допустимая средняя осадка фундаментов, принимаемая для малоэтажных сельских зданий равной 10 см;
/> — предельная несущая способность боковой поверхности буронабивной сваи, определяемая по формуле
/> (3.3)
где Рср. — среднее давление на контакте боковой поверхности сваи с грунтом, равное
/>(3.4)
где /> — коэффициент бокового давления бетонной смеси принимается равным 0,9;
/> — удельный вес бетонной смеси, кН/м3;
l0 — длина участка сваи, на котором давление бетонной смеси на стенки скважины линейно возрастает с глубиной, l0= 2 м;
/> — относительная усадка бетона при твердении в контакте с грунтом: при показатели текучести грунта 0,20 />JL JL = 4·10-4, при JL=5·10-4;
Е, /> — соответственно расчетный модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта.
Входящие в формулу (3.3) удельное сопротивление с1 и угол внутреннего трения />грунта с учетом его упрочнения при бетонировании сваи равны: />; с1 = сI n, где />, сI — расчетный угол внутреннего трения и расчетное сцепление грунта естественного сложения; n — коэффициент, принимаемый равным 1,8; 1,4; 1,3 и 1,2 соответственно для грунтов твердой, полутвердой, тугопластичной и мягкопластичной консистенции.
Примечание. При неоднородном в пределах длины сваи грунте в расчет вводятся средневзвешенные значения используемых характеристик.
3.3 Расчетная несущая способность пирамидальных свай и забивных блоков определяется по ВСН 26-84 «Проектирование и устройство пирамидальных свай и забивных блоков для малоэтажных сельских зданий».
4. Расчет свайных фундаментов по деформациям пучения грунта
4.1 Расчет свайных фундаментов по деформациям пучения производится исходя из следующих условий:
h />Sи; (4.1)
Sот/>h; (4.2)
/>/>(4.3)
где h — подъем наименее нагруженной сваи, вызванный пучением грунта;
Sот — осадка сваи после оттаивания грунта;
/> — относительная деформация фундамента;
Sи, /> — соответственно предельные абсолютные и относительные деформации пучения фундамента которые допускается принимать по таблице.
Таблица
Предельные деформации фундаментов
Конструктивные особенности зданий
Предельные деформации пучения Sи, см
Предельные относительные деформации пучения />м




относительный прогиб или выгиб
относительная разность деформаций пучения
Бескаркасные здания с несущими стенами из:






панелей
2,5
0,00035


блоков и кирпичной кладки без армирования
2,5
0,00050


блоков и кирпичной кладки с армированием
3,5
0,00060


здания с деревянными конструкциями
5
-
0,006
Здания стоечно-балочной конструкции
4
-
0,005
Примечание. На основании расчета системы фундаментная балка-стена на прочность допускается уточнять значения />и Sи.--PAGE_BREAK--
4.2 Подъем буронабивной сваи определяется по формуле
/>(4.4)
где hа — деформация пучения (подъем) ненагруженного грунта в уровне верхнего сечения сваи, находящегося на глубине а от поверхности грунта;
hа — деформация пучения поверхности грунта;
df — расчетная глубина промерзания грунта, м;
/> — коэффициент, зависящий от диаметра сваи d; при d=0,2 м />=0,4 м-1/2, при d=0,35 м />=0,50 м-1/2, при d=0,5 м />=0,30 м-1/2, при d=0,8 м />=0,2 м-1/2; при промежуточных значениях d коэффициент />определяется по интерполяции;
l — длина сваи, м;
N — нагрузка на сваю, кН;
N0 — обобщенная сила, кН, равная
/>,
где G — собственный вес сваи, кН
f — сопротивление грунта на боковой поверхности сваи, кН/м2, принимается равным рсtg/>+c1 упрочненного грунта (см. п.3.2);
/> — нормативные удельные касательные силы пучения, кН/м2; для слабопучинистых грунтов />=70 кН/м2, среднепучинистых — 90 кН/м2.
4.3 Подъем пирамидальных свай определяется по формуле
/>(4.5)
где /> — коэффициент, характеризующий отношение подъема ненагруженной сваи к подъему ненагруженного грунта в уровне верхнего сечения сваи, принимается численно равным
/>
/>,
где /> — параметр, характеризующий удельные нормальные силы пучения, кН/м2; принимается равным: 200, 400, соответственно для слабо-, среднепучинистых грунтов;
/> — угол наклона боковых граней сваи к вертикали, град.
Nа — сила сопротивления талого грунта выдергиванию сваи;
/>;
су — расчетное сцепление уплотненного грунта, МПа, принимается в соответствии с ВСН 26-84.
Остальные обозначения те же, что в п.4.2
4.4 Для выполнения требования (4.2) необходимо соблюдать условие
N > Pб. от., (4.6)
где Рб. от. — несущая способность боковой поверхности сваи после оттаивания грунта при осадке S, равной подъему сваи. Для буронабивной сваи условие (4.6) выполняется, если
/>(4.7)
где /> — коэффициент условий работы, учитывающий увеличение сопротивления грунта на боковой поверхности сваи ниже зоны промерзания за счет частичного его обезвоживания,
/>
К0, S0, Рб. пр, /> — те же значения, что в п.3.2
Для пирамидальных свай условие (4.6) удовлетворяется, если
/>, (4.8)
где ha, df, Fd — те же значения, что в п.3.1, 4.2
4.5 Относительная разность деформаций пучения свай зданий стоечно-балочной конструкции, зданий с деревянными конструкциями определяется по формуле
/>, (4.9)
где /> — максимальная разность подъемов двух соседних свай, м;
х — расстояние между осями свай, м.
При определении />попарно рассматриваются соседние сваи. При этом подъем ненагруженной поверхности грунта принимается изменяющимся по длине (ширине Æ) здания в соответствии с зависимостью
/>, (4.10)
где hfmax, hfmin — подъемы ненагруженной поверхности грунта, м, соответствующие экстремальным значениям расчетной предзимней влажности грунта на площадке строительства, определяемые в соответствии с ВСН 29-85;
xi — расстояние между осями рассматриваемой сваи и крайней левой в фундаменте стены здания или его отсека;
L — расстояние между осями крайних свай в фундаменте стены здания (отсека здания), м.
4.6 Относительная деформация свай зданий с несущими стенами из кирпича, блоков, панелей (относительный прогиб, выгиб) определяется по формуле
/>, (4.11)
где hл, hср — подъемы соответственно крайней левой и средней свай, м; определяются в соответствии с п. п.4.2, 4.3
Примечание. В том случае, когда непосредственно под серединой стены здания (отсека здания) свая отсутствует, за hср следует принимать подъем стены в сечении, отстоящем на расстоянии L/2 от крайней левой сваи.
4.8 Дополнительные нагрузки на сваи определяются из совместного решения уравнений
/>(4.14)
/>; (4.15)
/>; (4.16)
где hл, hi — подъемы крайней левой и i-й сваи с учетом дополнительной нагрузки, м; определяются по одной из формул (4.12...4. I3) в зависимости от типа сваи;
q — угол склона оси условной балки к горизонтали на крайней левой опоре (сваи), рад;
EJ — приведенная жесткость на изгиб условной балки (надфундаментных конструкций); определяется согласно ВСН 29-85;
pi — нагрузка на сваю, находящуюся на расстоянии xi от крайней левой сваи. Остальные обозначения прежние.
Примечания:
1. Уравнения типа (4.14) составляют для всех свай, исключая крайнюю левую.
2. При симметричной относительно оси стены системе уравнения (4.15) тождественно равны уравнениям (4.14). В этом случае недостающие уравнения составляют на основе равенства перемещений стены и свай, расположенных справа от оси симметрии.
3. При составлении уравнений (4.14...4.16) все дополнительные силы принимаются положительными, действующими сверху вниз на сваи и снизу вверх на условную балку.
Направление дополнительных сил и их значения определяют в результате решения системы уравнений. Зная значения и знак дополнительных сил, по формулам (4.12, 4.13) можно определить подъемы свай, а по формуле (4.11) — относительную деформацию системы в целом,
2. ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Мёрзлыми грунтами, породами и почвами называют грунты, горные породы, почвы и дисперсные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замёрзла, т.е. превратилась в лёд, цементируя минеральные частицы. Скальные грунты, имеющие отрицательную температуру и не содержащие в своём составе воды и льда, называются морозными. Крупнообломочные и песчаные грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом и не обладающие силами сцепления называются сыпучемёрзлыми («сухая мерзлота»). Грунты и породы, в которых, несмотря на отрицательную температуру лёд не кристаллизовался называются охлаждёнными породами и грунтами.
Классификация мёрзлых грунтов по гранулометрическому составу определяется как и для немёрзлых грунтов. Выделяют классификации по Охотину, Сергееву. Кроме того, мёрзлые грунты дополнительно классифицируют по ГОСТ 25100-95, также по: времени нахождения в мёрзлом состоянии (табл.1.1); по льдистости (табл.1.2); по засолённости (табл.1.3); по заторфованности (табл.1.4)
Таблица 1.1
Классификация грунтов по времени нахождения в мёрзлом состоянии по данным различных источников.
Наименования мёрзлых грунтов
Время существования в мёрзлом состоянии
Источники
Многолетнемёрзлые
Сезонномёрзлые
Кратковременно мёрзлые
Годы, сотни, тысячи лет
Месяцы
Сутки
В. А Кудрявцев
Б. А, Достовалов, 1978
Э.Д. Ершов, 1990
Вечномёрзлые
Многолетнемёрзлые
Сезонномёрзлые
Кратковременно мёрзлые
Века, тысячелетия
От нескольких лет до нескольких десятилетий
От 1 до 2 сезонов
От нескольких часов до нескольких суток
Н.А. Цытович, 1973
Вечномёрзлые
Перелетки
Сезонномёрзлые
Три и более года
От 1 года до трёх лет
1-й холодный сезон года
Нормативные документы по строительству и инженерным изысканиям
Таблица 1.2    продолжение
--PAGE_BREAK--
Классификация мёрзлых грунтов по льдистости за счёт видимых ледяных включений.
Разновидностьгрунтов
Льдистость за счёт видимых ледяных включений
i, д. е.


Скальные и полускальные грунты
Дисперсные грунты
Слабольдистый
Льдистый
Сильнольдистый
Очень сильнольдистый

0.01-0.05
>0.05



0. 20-0.40
0.40-0.60
0.60-0.90
Таблица 1.3
Классификация мёрзлых грунтов по степени засолённости Dsol% (для морского типа засоления)


Разновидность


Суммарное содержание легкорастворимых солей,% массы сухого грунта


Песок
Глинистый грунт
Слабозасолённый
Среднезасолённый
Сильнозасолённый
0.05-0.10
0.10-0. 20
>0. 20
0. 20-0.50
0.50-1.00
>1.00
Таблица 1.4
Классификация грунтов по содержанию органического вещества.
Название
Содержание органического вещества (%) в




глинистых
песках
Сильнозаторфованные
50-40
—
Среднезаторфованные
40-25
—
Слабозаторфованные
25-10
—
С примесью орг. веществ
10-3
10-3






Мёрзлые грунты в зависимости от их температуры, величины и времени внешнего воздействия могут вести себя как твёрдые или пластичные. Чем меньше и чем длительнее воздействие, тем в большей мере грунт проявляет пластичные свойства. Образование льда при промерзании грунта приводит к повышению прочности и сопротивления деформируемости, что объясняется возникновением связей между минеральными частицами за счёт льда. С понижением дисперсности, засолённости и температуры прочность структурных связей возрастает. При длительном времени действия нагрузки роль льдоцементационного сцепления снижается, что обусловлено проявлением реологических свойств льда. Разработана классификация мёрзлых грунтов по температурно-прочностным свойствам. (табл.1.5)
Таблица 1.5
Классификация по температурно-прочностным свойствам


Видгрунтов
Разновидность грунтов


Твёрдомёрзлый
p0.1 кПа-1
при t
Пластичномёрзлый p>0.1 кПа-1
при t, C
Сыпучемёрзлый при t
Все виды скальных и полускальных грунтов
Th =0


---


-------
Крупнообломочный грунт
Th =0


при







Песок гравелистый крупный и средней крупности


Th = — 0.1




Глинистый
грунт


Супесь
Th =-0.6








Суглинок
Th =-1.0






Глина
Th =-1.5




Заторфованный грунт
Th =-0.7 (Jr+Th)
Th
— ----
Торф
—
t
— ------
Th-температурная граница твёрдомёрзлого сосотояния минеральных грунтов;
Tbf — то же для заторфованных грунтов.
Характер изменения механических свойств грунтов различного состава зависит от вида напряжённо-деформированного состояния и времени действия нагрузки. При инженерных расчётах необходимо знать как прочностные характеристики, так и деформационные: модули общей и упругой деформации, коэффициенты вязкости и сжимаемости, коэффициент Пуассона, характеристики кривых течения и ползучести.
Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.
Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей: твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда (лёд-цемент и лёд прослойков); воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы.
Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.
Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённых катионов.
Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме — может достигать огромной величины. И интенсивность протекания физико-химических поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать в глинистых грунтах 80 и более м2/г.
Лёд, являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2Co3, хлористый магний MgCl2. Льдом называют все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния. Различают несколько модификаций льда, образующихся при отрицательных температурах и соответствующих давлениях: три кристаллических модификации: 1,2,3, аморфную модификацию, образующуюся при «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительных температурах. В мёрзлых грунтах содержится лёд 1-й модификации (существующий при температурах до -100С и при обычных давлениях), он является важнейшей компонентой мёрзлых грунтов. Он имеет высокую анизотропию свойств, например, механические свойства его кристаллов в направлении перпендикулярном главной оптической оси подчиняются законам реологической механики, в параллельном же направлении-напротив, после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. Кроме того, электро — молекулярные связи льда значительно превосходят электро — молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.
Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе (лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.    продолжение
--PAGE_BREAK--
Классификация генетических типов подземных льдов приведена в табл.1.6 Таблица 1.6
Генетические типы подземных льдов.
типы
подтипы
Конституционные льды


Пещерножильные льды
Жильные льды




Пещерные льды
Погребённые льды
Конжеляционные льды








Осадочно-метаморфические
В зависимости от заполнения пор льдом различают (Шумский, 1957) следующие виды льда цемента: контактный, находящийся в местах контакта частиц скелета; плёночный, обволакивающий поверхность частиц, оставляя часть пор незаполненными; поровый, заполняющий поры целиком; и базальный, образующий основную массу породы и разобщающий частицы минерального скелета.
Вода в жидкой фазе в мёрзлых грунтах, по крайней мере до температуры -70С содержится в том или ином количестве. Вода бывает в двух состояниях: прочносвязанная поверхностью минеральных частиц, когда в следствие огромных электро — молекулярных сил, вода не в состоянии перейти в гексагональную кристаллическую решётку льда, даже при очень низких температурах.
Рыхлосвязанная вода переменного фазового состава, замерзающая при температурах ниже 0С. Понижение температуры замерзания воды происходит в следствие того, что между слоем прочносвязанной и более «тёплой воды»существует энергетическая связь, что обусловливает более низкую температуру её кристаллизации.
Газообразные компоненты в мёрзлых грунтах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так как они перемещаются от мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью, и в водо-насыщенных грунтах могут явиться причиной перераспределения влажности. Кроме того, газообразные компоненты претерпевают значительное сокращение в процессе понижения температуры, образуя вакуум обуславливающий миграцию влаги.
Характеристики физических свойств.
При оценке многолетнемёрзлых пород используются те же характеристики физико-механических свойств, что и для талых пород, а также, необходимы дополнительные характеристики, которые выражают специфику состава мёрзлых пород и особенностей их поведения под нагрузками. Общими характеристиками талых и мёрзлых грунтов являются:
Плотность — масса грунта в единице объёма.
= m/V; г/см3]
m-масса образца ненарушенной структуры;
V — объём грунта;
2. Плотность частиц грунта в единице объёма при плотной упаковке:
s /см3], определяемая с помощью пикнометра.
3. Плотность скелета грунта
d; г/см3]
определяемая, как масса частиц грунта в объёме ненарушенной структуры;
4. Пористость грунта, характеризуемая коэффициентом пористости:
= (s — d ) / d;
5. Суммарная относительная влажность:
Отношение массы воды к массе сухого грунта в единице объёма
Wс=m воды /m сух. гр.
6. Влажность на пределе раскатывания и на пределе текучести соответственно:
Wрас%, Wтек%
7. Число пластичности:
Jчисло пласт = Wтек% — Wрас%:
8. Степень водонасыщения:
Sr=Wс/Wп
Где Wп — полная влагоёмкость, равная влажности грунта, при полном заполнении пор водой.
К дополнительным характеристикам относятся:
1. Влажность за счёт незамёрзшей воды Wн (в долях единицы);
2. Льдистость мёрзлого грунта i, равная отношению массы льда к массе всей воды, содержащийся в мёрзлом грунте:
i = (Wc-Wн) /Wc;
3. Температура начала замерзания грунтовой влаги bf;
4. Засолённость грунта (Dsol), либо концентрация порового раствораCр:
Dsol=mсоли/mсух. грунта;
Ср=Dsol%/ (Dsol% +Wc%);
5. Заторфованность:
характеристика, равна отношению массы органического вещества к массе грунта в сухой навеске.
Im = mторфа/mсух. грунта
6. Относительная влажность Wс в мёрзлых грунтах рассматривается как сумма влажности за счёт включений льда (Wв), влажность минеральных прослоек грунта (Wг), равная сумме влажности за счёт льда цементирующего минеральные частицы (Wц) и влажности за счёт незамёрзшей воды (Wн).
Wc=Wв+Wг=Wв+ (Wц+Wн);
Важными характеристиками мёрзлых грунтов являются текстура и структура. В зависимости от интенсивности промораживания, наличия подтока воды и задержек в промораживании формируется текстура мёрзлых грунтов. Основными видами структуры грунтов являются слитная (массивная), слоистая и ячеистая (сетчатая). Также выделяют другие дополнительные виды структур.
Теплофизические характеристики.
Теплоперенос в горных породах в общем случае осуществляется тремя механизмами: излучением, конвекцией и кондуктивностью (теплопроводностью).
Теплофизические характеристики оценивают количественную долю тепла:
коэффициент теплопроводности — , (Вт/м*К) — выражает количество тепла проходящее в единицу времени через единицу площади и единичную толщину слоя грунта.
удельная теплоёмкость — С, (Дж /кг*К) — выражает количество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы массы грунта на один градус.
объёмная теплоёмкость Соб (Дж/м3*К) выражает количество тепла, необходимое для нагревания или охлаждения единицы объёма грунта на один градус.
коэффициент температуропроводности а (м2/с) — выражает способность грунта изменят свою температуру, под воздействием изменившегося градиента температуры.
Между этими характеристиками существует зависимость:
=Соб а;
Доля тепла переносимого в породе излучением, обычно, не превышает 1% от общего теплопотока поэтому радиационным теплопереносом пренебрегают, а доля конвективной составляющей учитывается лишь при влагопереносе под действием гидростатических сил.
Значения всех теплофизических характеристик зависят от вида грунта, его составных компонентов, как минерального, так и гранулометрического состава и основных физических свойств: плотности и влажности; а также состояния грунта: талого или мёрзлого. Обычно коэффициент теплопроводности мёрзлых грунтов в 1.1-1.5 раза больше коэффициента теплопроводности грунтов в талом состоянии, что связано с большей теплопроводностью льда, по сравнению с незамёрзшей водой. Объёмная теплоёмкость грунтов при промерзании стремится к бесконечно большому значению, в связи с затратами тепла на фазовые переходы влаги.
Массообменные характеристики.
Перемещение влаги и пара в дисперсных породах осуществляется по причине неравновесного состояния системы грунт-вода, вызываемого изменением в пространстве и во времени термодинамических параметров. В случае нарушения равновесных условий в грунтовой системе влага может находиться как в неподвижном состоянии, так и испытывать перемещение в виде молярного переноса пара, объёмно протекать по капиллярам, подчиняясь капиллярному давлению, кроме того, вода и пар могут взаимодействовать порождая комбинированный перенос влаги.
Влагоперенос зависит от гранулометрического состава породы. С ростом дисперсности породы возрастает количество незамёрзшей воды, но уменьшается поток её миграции.
Влагоперенос обусловлен градиентом температуры в грунте.
В равновесном состоянии каждому значению отрицательной температуры образца мёрзлой породы соответствует строго определённое содержание незамёрзшей воды, поэтому возникновение и поддержание в мёрзлой породе градиента температуры приводят к возникновению градиента потенциала влаги по жидкой и парообразной фазам.
Характеристикой влагопереноса является коэффициент потенциалопроводности.
a=/ (C ск) м2 /ч
-коэффициент влагопроводности кг/мчград;
C-удельная влагоёмкость грунта.
Знание коэффициента потенциалопроводности позволяет рассчитывать миграцию влаги при промерзании.
Механические характеристики.
Механические характеристики мёрзлых грунтов изучаются для назначения расчётных характеристик прочности и деформируемости, получения зависимостей, описывающих поведение грунтов под нагрузками, при изменении температуры, воздействии криогенных процессов и др.
Мёрзлые грунты по агрегатному состоянию относят к твёрдым телам, однако, наличие в них незамёрзшей воды и льда обуславливает проявление реологических свойств. Поэтому в механике мёрзлых грунтов используются представления, развивающиеся на основе теории упругости, пластичности и вязкости сплошных сред, исходя из которых создаётся подход к выбору характеристик прочностных и деформационных свойств и методов их определения.
К основным характеристикам прочностных свойств мёрзлых грунтов относятся: сопротивление сдвигу грунта по грунту и по поверхностям смерзания; сопротивление сжатию, растяжению; сцепление и угол внутреннего трения, эквивалентное сцепление.
Различают простое и сложное напряжённые состояния в мёрзлом грунте.
Простое напряжённое состояние соответствует проявлению одного из видов напряжений: сжатия, растяжения, сдвига. Напряжённое состояние в массиве грунта, соответствует сложному напряжённому состоянию, когда проявляются одновременно при различном сочетании все виды простых напряжённых состояний.
Определение прочностных и деформационных характеристик выполняются как в лабораторных, так и в полевых условиях, при простом и сложном напряжённом состояниях. Основными видами испытаний являются:
Одноосное сжатие; разрыв; сдвиг; кручение; компрессия; осесимметричное трёхосное сжатие вертикальной и радиальной нагрузкой; осесимметричное трёхосное сжатие с кручением; осесимметричное сжатие полого цилиндра с кручением; трёхосное сжатие с независимым заданием всех трёх главных направлений; динамометрическое испытание в релаксационно-ползучем режиме.
Испытания, с помощью которых оцениваются деформационные свойства: вдавливание сферического штампа;. сдвиг на срезном приборе; сдвиг на клиновидном приборе; сдвиг по поверхности смерзания; сдвиг мёрзлого грунта по поверхности модели сваи; раздавливание образца.
Влияние минерального и гранулометрического состава.
При прочих равных условиях длительные деформации мёрзлых пород уменьшаются, а прочность увеличивается в ряду: лёд> глина> суглинок> супесь> песок. Увеличение деформируемости грунтов с ростом дисперсности вызвано, прежде всего, увеличением содержания незамёрзшей воды, а большие деформации льда связаны с особенностями его структурной решётки, которые придают свойства идеального реологического тела.
Деформируемость и прочность крупнообломочных мёрзлых грунтов обусловлена мелкодисперсными минеральными заполнителями, либо ледяными включениями. При этом необходимо учитывать вид напряжённого состояния. Если при плотной упаковке минеральных частиц сопротивление сжатию мёрзлых крупнообломочных грунтов может превышать прочность мелкодисперсных грунтов за счёт жёсткости скелета, то сопротивление растяжению, либо сдвигу может быть весьма незначительным в связи с низкими цементационными связями между отдельными обломками.
Влияние льдистости.
В целом, мёрзлые грунты обладают более высокой прочностью (в несколько раз, порой даже в несколько десятков) по сравнению с талыми. Это обусловлено цементацией льдом частиц грунта, превращение его по агрегатному состоянию в твёрдое тело.    продолжение
--PAGE_BREAK--
В зависимости от интенсивности промораживания (величины температурного градиента) и граничных условий (одностороннего промораживания или промораживания с нескольких сторон), наличия подтока воды и задержек в продвижении границы промораживания, в процессе промерзания грунтов формируется своеобразная криогенная текстура, существенно определяющая и свойства (рис 3.1)
/>
Рис 3.1 Основные виды криогенной текстуры в мёрзлых грунтах.(Цытович, 1973). а — слитная (массивная); б-слоистая; в-ячеистая.
Увлажнение дисперсных грунтов до влажности соответствующей примерно 0.8-0.9 от полной влагоёмкости увеличивает их прочность при промерзании. Это обусловлено возрастанием количества цементационных связей льда с частицами грунта, вместе с тем формируется монолитная криогенная текстура. Однако, показано, что прочность льдистых грунтов зависит не только от общей льдистости, но и от количества и толщины ледяных шлиров, а также влажности грунтовых прослоев, а поскольку дальнейшее увлажнение приводит к распучиванию, образованию ледяных прослоек и включений, то увеличение льдистости за счёт включений приводит к уменьшению прочности. В свою очередь, расположение прослоев льда имеет влияние на предельно длительную прочность. Противоречивые результаты получались у разных авторов при исследовании зависимости площади контакта минеральных частиц грунта и льда: в одних случаях большая площадь, достигаемая большим количеством ледяных прослоев, обусловливала большую прочность, в сравнении с образцами грунта имеющими меньшее количество ледяных прослоев большей величины, при одинаковой льдистости. Тем не менее незатухающая ползучесть льда вне зависимости от расположения шлиров и их размеров приводит к длительным деформациям, протекающим в процессе всего срока эксплуатации мёрзлого грунта.
Однако, характер влияния влажности-льдистости на прочность грунта тесно связан с дисперсностью грунта, его минеральным составом, температурой.
Влияние засолённости.
Присутствие легкорастворимых солей в грунтовой влаге существенно влияет на механические свойства грунтов. В засолённом грунте наблюдаются снижение прочности и увеличение деформируемости (Ю.Я. Велли1990, В.И. Аксёнов, 1978 и др.). Это обусловлено, в основном, изменением состава порового раствора, что обусловливает понижение температуры его замерзания и увеличение количества незамёрзшей воды. Экспериментально установлено влияние на механические свойства мёрзлых засолённых грунтов не только количества солей, но и их химического состава. (Роман, 1994; Роман, Свинтицкая, 1996).
Засоление мёрзлых пород обусловлено их генезисом, специфической геохимической обстановкой, различной для эпигенетического и сингенетического способов промерзания пород. Однако, для всех типов пород будут присущи все типы элементарных реакций: растворение, гидратация, гидролиз, замещение, окисление -восстановление. Различают морской, континентальный и техногенный типы засоления.
Морской тип засоления наблюдается в мёрзлых грунтах самых северных территорий — вдоль арктического побережья России и на островах. Для морского типа засоления характерно наличие хлоридов, в частности NaCl. Наименьшее значение Dsal =0.2-0.5% отмечается в песках; в супесях, суглинках и глинах засолённость колеблется от 0.4 до 2.1%.
Континентальный тип засоления наблюдается в областях, где сочетание высоких летних температур воздуха с отрицательным балансом влаги способствовало соленакоплению в почвах и подстилающих грунтах. В солевом составе грунтов континентального типа засоления присутствуют ионы: SO42-Cl-, HCO3-,Na2+,Ca2+, Mg2+.
При промерзании рыхлых отложений в первую очередь происходит образование твёрдой фазы воды — льда. Морские воды с минерализацией более 30 г/л кристаллизуются при температурах, близких к -1.5…. — 2С, а рассолы могут не замерзать при температурах -20С и ниже., образуя криопэги. Процесс замерзания воды сопровождается сильной дифференциацией солей между твёрдой и жидкой фазами воды. Часть солей, растворённых в воде, оказывается вовлечённой в лёд, часть менее растворимых в воде солей выпадают в осадок, а часть отжимается в нижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.
Постепенное промерзание приводит к образованию слабоминерализованных льдов, а ниже границы промерзания — высококонцентрированных вод порядка 200 г/л и более, что обеспечивает существование горизонтов воды при отрицательной температуре. Процесс засоления породы характеризуется возникновением особенностей физико-механических свойств.
Следует отметить, что степень влияния растворённых солей обусловлена не характеристикой засолённости Dsal, а концентрацией порового раствора Кпр, формирующегося в процессе промерзания.
При одной и той же засолённости концентрация порового раствора будет снижаться с увеличением влажности. А, значит, и влияние засолённости на сопротивление мёрзлых грунтов нагрузкам будет снижаться с увеличением суммарной влажности. Поскольку в природных грунтах очень часто влажность грунта близка к полной влагоёмкости, то в ряду, в котором увеличивается влагоёмкость: песок
В засолённых грунтах отмечаются все три стадии ползучести. Однако, стадии незатухающей ползучести и прогрессирующего течения наступают при меньших напряжениях.
Влияние заторфованности.
Наличие биогенных остатков в мёрзлых грунтах влияет на течение деформаций во время нагружения. В целом, анализ результатов исследований показывает, что для торфа, минеральных заторфованных грунтов при заторфованности более 30% и влажности, близкой к полной влагоёмкости, деформации носят вязкий характер с преобладанием стадии установившегося течения. Причём, если напряжение не превышает предела длительной ползучести, то стадия установившегося вязкого течения длится неограниченно долго. При увеличении нагрузки больше предела длительной ползучести установившаяся стадия переходит в стадию прогрессирующего течения с возрастающей скоростью. Характер деформирования слабозаторфоованных грунтов сходен с характером деформирования мёрзлых незаторфованных минеральных грунтов с выраженными стадиями ползучести. При напряжении меньшем предела длительной прочности для них отмечается затухающая ползучесть, а при напряжении, превышающем указанный предел -незатухающая.
Важно отметить, что для мёрзлых торфяных грунтов, как и для льда отмечены более высокие значения условно мгновенной прочности по сравнению таковой для минеральных грунтов. Длительная же прочность уменьшается быстрее и ее предельно-длительное значение меньше.
Очень важно учитывать степень разложения торфа. Менее разложившийся торф более гидрофильный, поэтому удерживает большое количество внутриклеточной влаги, основной объём которой находится в свободном рыхлосвязанном состоянии. С увеличением степени разложения повышается гидрофобность, но и вместе с тем увеличивается площадь удельной поверхности частиц. Количество связанной и, соответственно, незамёрзшей воды увеличивается, что приводит к снижению прочности.
Влияние температуры.
При использовании многолетнемёрзлых грунтов в качестве оснований или среды для сооружений инженер встречается с совершенно своеобразным природным материалом, не похожим по своим свойствам на другие материалы, настолько чувствительным к внешним воздействиям, что даже незначительное изменение их величины, характера и времени действия сказывается на его механических свойствах. Одним из основных факторов обуславливающих нестабильность механических свойств промерзающих и протаивающих мёрзлых грунтов является температура. Распределение температуры по глубине показано на рис.3 введения.
Влияние температуры на физико-механические свойства мёрзлых грунтов зависит от диапазона её изменения, который обусловливает интенсивность фазовых превращений, происходящих при данной температуре. Согласно принципу динамического равновесия (Цытович, 1973), в мёрзлых грунтах всегда содержится определённое количество незамёрзшей воды, зависящее от внешних факторов.
3. СВОЙСТВА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ
Основания, сложенные просадочными грунтами, должны проектироваться с учетом их особенности, заключающейся в том, что при повышении влажности выше определенного уровня они дают дополнительные деформации — просадки от внешней нагрузки и (или) собственного веса грунта. При проектировании оснований, сложенных просадочными грунтами, следует учитывать возможность повышения их влажности за счет:
а) замачивания грунтов — сверху из внешних источников и (или) снизу при подъеме уровня подземных вод;
б) постепенного накопления влаги в грунте вследствие инфильтрации поверхностных вод и экранирования поверхности. Расчетным состоянием просадочных грунтов по влажности является: При возможности их замачивания — полное водонасыщение (Sr = 0,8);
При невозможности их замачивания — установившееся значение влажности weq, принимаемое равным природной влажности w, если w= wp, и влажности на границе раскатывания, если w
Просадочные грунты характеризуются:
относительной просадочностью sl — относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания;
начальным просадочным давлением psl — минимальным давлением, при котором проявляются просадочные свойства грунтов при их полном водонасыщении;
начальной просадочной влажностью wsl — минимальной влажностью, при которой проявляются просадочные свойства грунтов.
Значения sl и psl определяются в соответствии с требованиями обязательного приложения
При проектировании оснований, сложенных просадочными грунтами, должны: учитываться
а) просадки от внешней нагрузки ssl,p, происходящие в пределах верхней зоны просадки от подошвы фундамента до глубины, где суммарные вертикальные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта равны начальному просадочному давлению или сумма указанных напряжений минимальна;
б) просадки от собственного веса грунта ssl,g, происходящие в нижней зоне просадки, начиная с глубины, где суммарные вертикальные напряжения превышают начальное просадочное давление psl или сумма вертикальных напряжений от собственного веса грунта и внешней нагрузки минимальна, и до нижней границы просадочной толщи;
в) неравномерность просадки грунтов ssl;
г) горизонтальные перемещения основания usl в пределах криволинейной части просадочной воронки при просадке грунтов от собственного веса.
Примечание. Просадки грунтов учитываются при относительной просадочности sl =0,01 и определяются в соответствии с указаниями обязательного приложения 2.
При определении просадок грунтов и их неравномерности следует учитывать: инженерно-геологическое строение площадки; физико-механические характеристики грунтов основания и их неоднородность; размеры, глубину заложения и взаимное расположение фундаментов; нагрузки на фундаменты и прилегающие площади; конструктивные особенности сооружения, в частности наличие тоннелей, подвалов под частью сооружения и т.п.; характер планировки территории (наличие выемок и срезки или насыпей и подсыпок, которые оказывают влияние на напряженное состояние грунтов основания, а также на вид и размер просадок); возможные виды, размеры и места расположения источников замачивания грунтов (п.3.2 а); дополнительные нагрузки на глубокие фундаменты, уплотненные и закрепленные массивы от сил негативного трения, возникающих при просадках грунтов от собственного веса.
Кроме того, необходимо учитывать, что при замачивании сверху больших площадей (ширина замачиваемой площади Bw равна или превышает размер просадочной толщи Hsl) и замачивании снизу за счет подъема уровня подземных вод полностью проявляется просадка от собственного веса ssl,g, а при замачивании сверху малых площадей (Bw (см. п.17 обязательного приложения 2).
Примечание. При определении неравномерности просадок грунтов следует учитывать возможные наиболее неблагоприятные виды и места расположения источников замачивания по отношению к рассчитываемому фундаменту или сооружению в целом.
Грунтовые условия площадок, сложенных просадочными грунтами, в зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственного веса, подразделяются на два типа:
I тип — грунтовые условия, в которых возможна в основном просадка грунтов от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см;
II тип — грунтовые условия, в которых помимо просадки грунтов от внешней нагрузки возможна их просадка от собственного веса и размер ее превышает 5 см.
Расчет оснований, сложенных просадочными грунтами, производится в соответствии с требованиями разд.2.
При этом деформации основания определяются суммированием осадок и просадок. Осадки основания определяются без учета просадочных свойств грунтов исходя из деформационных характеристик грунтов при установившейся влажности, а просадки — в соответствии с требованиями пп.3.2-3.5
При проектировании оснований, сложенных просадочными грунтами, в случае их возможного замачивания (п.3.2, а) должны предусматриваться мероприятия, исключающие или снижающие до допустимых пределов просадки оснований и (или) уменьшающие их влияние на эксплуатационную пригодность сооружений в соответствии с указаниями пп.3.12 и 3.13.    продолжение
--PAGE_BREAK--
В случае невозможности замачивания основания в течение всего срока эксплуатации сооружения (с учетом его возможной реконструкции) просадочные свойства грунтов допускается не учитывать, однако в расчетах должны использоваться физико-механические характеристики грунтов, соответствующие установившейся влажности (п.
Расчетное сопротивление грунта основания при возможном замачивании просадочных грунтов (п.3.2, а) принимается равным:
а) начальному просадочному давлению psl при устранении возможности просадки грунтов от внешней нагрузки путем снижения давления под подошвой фундамента;
б) значению, вычисленному по формуле (7) с использованием расчетных значений прочностных характеристик (II и сII) в водонасыщенном состоянии.
При невозможности замачивания просадочных грунтов расчетное сопротивление грунта основания R определяется по формуле (7) с использованием прочностных характеристик этих грунтов при установившейся влажности (п.3.2)
Предварительные размеры фундаментов сооружений, возводимых на просадочных грунтах, назначаются исходя из расчетных сопротивлений основания R0, принимаемых по табл.4 рекомендуемого приложения 3.
Указанными значениями R0 допускается пользоваться также для назначения окончательных размеров фундаментов зданий и сооружений III класса, в которых отсутствует мокрый технологический процесс.
Требования расчета оснований по деформациям в грунтовых условиях I типа считаются удовлетворенными, если в пределах всей просадочной толщи сумма вертикальных напряжений от внешней нагрузки и от собственного веса грунта не превышает начального просадочного давления psl.
При возможности замачивания грунтов основания (п.3.2) следует предусматривать одно из мероприятий:
а) устранение просадочных свойств грунтов в пределах всей просадочной толщи (пп.2.69 и
б) прорезку просадочной толщи глубокими фундаментами, в том числе свайными и массивами из закрепленного грунта (пп.2.67 и 3.14);
в) комплекс мероприятий, включающий частичное устранение просадочных свойств грунтов, водозащитные и конструктивные мероприятия (пп.2.67-2.71).
В грунтовых условиях II типа наряду с устранением просадочных свойств грунтов или прорезкой просадочной толщи глубокими фундаментами должны предусматриваться водозащитные мероприятия, а также соответствующая компоновка генплана.
Выбор мероприятий должен производиться с учетом типа грунтовых условий, вида возможного замачивания, расчетной просадки, взаимосвязи проектируемых сооружений с соседними объектами и коммуникациями в соответствии с требованиями п.1.1
Примечания:
1. Устранение просадочных свойств грунтов (подпункт "a") в грунтовых условиях I типа допускается выполнять только в пределах части верхней зоны просадки, но не менее 2/3 ее высоты, если конструкции сооружения рассчитаны на возможные деформации основания, а просадки и их неравномерность не превышают 50% предельных деформаций основания для данного сооружения.
2. Значения предельных деформаций оснований, приведенные в рекомендуемом приложении 4, не распространяются на сооружения, запроектированные с применением комплекса мероприятий по п.3.12, в. Предельный крен жилых и общественных зданий при применении комплекса мероприятий допускается принимать равным:
iu = 0,008 — для зданий, не оборудованных лифтами, а также если проектом предусмотрены специальные мероприятия по рихтовке направляющих лифтовых шахт;
iu = 0,005 — если указанные мероприятия не предусмотрены.
3.13. Устранение просадочных свойств грунтов достигается:
а) в пределах верхней зоны просадки или ее части уплотнением тяжелыми трамбовками, устройством грунтовых подушек, вытрамбовыванием котлованов, в том числе с устройством уширения из жесткого материала, химическим или термическим закреплением;
б) в пределах всей просадочной толщи — глубинным уплотнением грунтовыми сваями, предварительным замачиванием грунтов основания, в том числе с глубинными взрывами, химическим или термическим закреплением.
При проектировании глубоких фундаментов следует учитывать:
в грунтовых условиях I типа — сопротивление грунта по боковой поверхности фундаментов;
в грунтовых условиях II типа — негативное трение грунта по боковой поверхности фундаментов, возникающее при просадке грунтов от собственного веса.
4 ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Просадка, уплотнение грунта, находящегося под действием внешней нагрузки или только собственного веса. Происходит при искусственном замачивании (в лёссе и лёссовидных отложениях), оттаивании (термические просадки в мёрзлых грунтах), динамич. воздействиях вибрационные просадки). Величина проседания поверхности, вызванная просадкой грунтов, колеблется от долей см до 2 м. Просадки могут вызывать образование трещин на поверхности и в массиве грунта. Если фильтрация влаги в просадочных при замачивании грунтах происходит после окончания П. я., то возможна послепросадочная деформация грунта за счёт выщелачивания из него водорастворимых соединений.
Причины П. я. (в лёссе и лёссовидных отложениях) — недоуплотнённое состояние грунта с теряющими прочность при замачивании связями частиц. При данной влажности грунта каждой величине давления отвечает определённая его пористость, уменьшающаяся с возрастанием давления. Междучастичные связи в грунте могут задержать его уплотнение, несмотря на увеличение (под влиянием веса новых отложений или построенных сооружений) давления, благодаря чему создаётся несоответствие пористости давлению — недоуплотнённое состояние.
При снижении прочности связей частиц грунта (напр., при замачивании лёсса в результате утечек из водопроводной сети или при повышении уровня грунтовых вод вблизи водохранилищ) возникают П. я. Недоуплотнённое состояние лёсса и лёссовидных отложений характерно для засушливых полупустынных или степных районов (Ср. Азия, Украина, Сев. Кавказ, Китай, юг Центр. Европы, бассейн Миссисипи). Термич.П. я. могут протекать в зоне развития многолетнемёрзлых горных пород.
Просадочные свойства лёсса и лёссовидных грунтов изучаются в компрессионных приборах, путём замачивания котлованов и др. способами. Отношение величины уплотнения грунта при замачивании к первоначальной высоте образца грунта наз. относительной просадочностью (изменяется от 0 до 0,1 и больше).П. я. возможны при возрастании влажности грунта до нек-рой величины (начальная влажность просадки) и при давлении, превышающем нек-рую величину (начальное давление просадки). Условия стр-ва на лёссе и лёссовидных грунтах подразделяются на два типа: просадки поверхности земли под действием собственного веса замоченного грунта менее 5 см;
просадки поверхности более 5 см. Разные типы условий требуют различных строит.
мероприятий.
Для борьбы с П. я. в стр-ве производится замачивание грунтов, силикатизация, уплотнение, обжиг (см. Закрепление грунтов, Уплотнение грунтов), осуществляются конструктивные мероприятия и устраняются возможности замачивания оснований сооружений.
Пирода просадочности лёссовых пород.
До сих пор нет единого мнения о природе просадочности лёссовых пород. Различные исследователи выдвигали достаточно много предположений и гипотез по поводу возникновения этого специфического и неотъемлемого свойства лёссов. Анализ существующих мнений показывает, что все гипотезы, объясняющие просадочность лёссовых пород, можно разделить на две группы I. В первой группе просадочность лёссов рассматривается как их первичное свойство, то есть когда просадочность формируется непосредственно в ходе накопления и начальной стадии преобразования минерального пылеватого осадка. Одну из причин возникновения просадочности Н.Я. Денисов (1953) видел в формировании недоуплотненных лёссовых толщ вследствие захоронения рыхлой, сцементированной легкорастворимыми веществами, массы пылеватых частиц под постепенно накапливаемыми слоями вышележащих пород. Слабыми местами этой гипотезы было то, что она не могла объяснить сохранение просадочных свойств в течение длительного времени, не давала объяснений фактам увеличения просадочности под горизонтами погребенных почв и скачкообразному изменению просадочности лёссовых пород по разрезу каждого накопленного слоя. II. Гипотезы второй группы характеризуют просадочность как новообразованное свойство породы, то есть когда просадочность приобретается после накопления пылеватого осадка. Наибольшее распространение здесь получила гипотеза мерзлотного выветривания. По мнению Е.М. Сергеева и А.В. Минервина (1960), формирование просадочности происходит в результате циклического сезонного промерзания-оттаивания исходных пылеватых пород и удаления из них льда посредством сублимации (испарения льда минуя жидкое состояние). В ходе промерзания поровая вода превращается в лед, разуплотняет породу и способствует дроблению более крупных песчаных зерен до размера пылеватых частиц. Данная гипотеза формирования просадочности подтверждается лабораторным и натурным моделированием. Она хорошо объясняет распространение и характер залегания лёссов в пространстве и разрезе, скачкообразное изменение просадочности лёссовых пород по разрезу, увеличение просадочности под горизонтами погребенных почв, появление просадочности в условиях сурового климата плейстоценовой эпохи развития Земли (приблизительно от 10 до 800 тысяч лет тому назад) — периода времени, когда наблюдалось наиболее интенсивное накопление лёссовых толщ.
Многолетний опыт исследований лёссов показывает, что одним из основных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфическая структура, то есть размер и форма твердых (минеральных) структурных элементов, строение порового пространства и особый характер структурных связей (взаимодействий между частицами).
Как уже отмечалось, лёссы — это пылеватые породы, которые не менее чем на 50% состоят из пылеватых частиц с размерами 0,005 — 0,05 мм. Для большинства лёссов характерно высокое, иногда до 15 — 20%, содержание карбонатов, преимущественно кальцита (CaCO3), и присутствие до 3 — 5% растворимых солей (сульфаты, хлориды). Важной особенностью структуры лёссовых пород является ее высокая агрегированность, когда пылеватые и глинистые частицы образуют изометричные агрегаты с размерами 0,01 — 0,25 мм. Фотография такого глинисто-пылеватого агрегата, полученная с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), показана на рис.4а. Специфическое строение имеют песчаные и крупные пылеватые зерна, названные глобулами. Как показали наблюдения в РЭМ, в центре глобулы размещается ядро, состоящее из отдельных кварцевых микроблоков. Поверх ядра располагается дырчатая оболочка кальцита, которая в свою очередь перекрывается глинистой «рубашкой» (непрерывной пленкой частиц глинистых минералов), пропитанной оксидами железа и аморфным кремнеземом (SiO2). Пример такой искусственно разрушенной глобулы показан на рис.4б, где в центре виден хорошо ограненный микрокристалл кварца со следами кальцитовой оболочки на поверхности. Специфический характер твердых структурных элементов в лёссах обусловливает формирование в них так называемых агрегативных, или зернистых, микроструктур. Пример агрегативной микроструктуры показан на рис.5а, где А — глинисто-пылеватый агрегат изометричной формы. Пористость просадочных лёссов обычно изменяется от 42 до 46%. При этом поровое пространство лёссовых пород характеризуется присутствием трех типов пор: макропор, межзерновых и межагрегатных микропор, внутриагрегатных микропор. Наиболее крупными являются макропоры, имеющие трубчатую форму с диаметром 0,05 — 0,5 мм (рис.5а,
3). Они обычно хорошо видны невооруженным глазом и пронизывают лёссовую породу в вертикальном направлении. Макропоры являются одним из важнейших диагностических признаков структуры просадочных лёссов. Некоторые ученые считают, что макропоры — следы корней растений. Однако сейчас существует мнение, что большая часть макропор представляет собой своеобразные магистральные каналы, образовавшиеся в результате преимущественно вертикальной миграции воды и газов. Об этом свидетельствует наличие значительных выделений солей на стенках макропор.
Наиболее важными в структуре лёссовых пород являются межагрегатные и межзерновые микропоры (рис.5а,
2). Эти микропоры обычно имеют изометричную форму, а их размер изменяется от 0,008 до 0,05 мм. Электронномикроскопические исследования показывают, что подобные микропоры слагают основную часть порового пространства и относятся к категории так называемой активной пористости, которая и определяет величину просадочной деформации породы. Подчиненную роль в поровом пространстве играют более мелкие внутриагрегатные микропоры (рис.4а; 5а,
1) с размером менее 0,008 мм. Специфический состав и условия формирования лёссовых пород приводят к образованию у них разнообразных по своей природе структурных связей, которые во многом определяют особенности деформирования этих пород при увлажнении. Основную роль в структурном сцеплении (связности) лёссовых пород играют контакты между зернами и глинисто-пылеватыми агрегатами, осуществляемые через глинистые «рубашки» или глинистые «мостики». В физико-химической механике дисперсных систем такие контакты называются переходными. Их прочность обусловлена ионно-электростатическими силами. Характерной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воде. При увлажнении они быстро теряют прочность и трансформируются в слабопрочные коагуляционные контакты. Помимо переходных, в просадочных лёссовых породах могут также существовать фазовые контакты цементационного типа, обусловленные выделением легко растворимых солей в приконтактных зонах при испарении поровой влаги. Рассматривая механизм просадочности лёссов, можно сказать, что присутствие обратимых переходных контактов повышает просадочность благодаря их быстрому разрушению при увлажнении породы. Наличие же более прочных фазовых контактов цементационного типа может приводить к увеличению прочности всей структуры и, соответственно, снижению величины просадки. Для подобных пород характерны медленные послепросадочные деформации, которые во много раз могут превысить величину самой просадки при кратковременном увлажнении. И, наконец, при рассмотрении процесса просадочности лёссов нельзя не принять во внимание присутствие в этих породах сил поверхностного натяжения воды, так называемых капиллярных сил, о которых часто забывают многие ученые. Точные экспериментальные исследования показывают, что по мере заполнения пор водой, то есть при исчезновении капиллярных менисков, связывающих отдельные зерна и агрегаты, при увлажнении лёсса происходит слишком быстрое и резкое снижение его прочности, которое нельзя объяснить только разрушением переходных и цементационных контактов. Силы поверхностного натяжения воды вполне могут играть роль своеобразного спускового механизма, обусловливающего начало процесса просадки. Подводя итог, можно сказать, что в основе просадки лежат два взаимосвязанных явления, развивающихся при увлажнении лёссов и воздействии внешней нагрузки. Во-первых, происходит резкое снижение энергии взаимодействия структурных элементов на контактах, потеря структурной прочности вследствие преобразования переходных контактов в коагуляционные и исчезновение сил поверхностного натяжения. Во-вторых, происходит распад глинисто-пылеватых агрегатов, сопровождаемый формированием своеобразных дефектов в микроструктуре лёссов, и возникают условия для взаимного смещения структурных элементов. Таким образом, в результате просадки происходит смыкание части макропор и большинства крупных межагрегатных микропор и формируется более плотная и однородная микроструктура, аналогичная показанной на рис.5б. Одновременно возрастает содержание мелких межагрегатных и внутриагрегатных микропор (рис.5б, 2 и 1 соответственно).    продолжение
--PAGE_BREAK--
Способы борьбы с просадочностью лёссовых пород.
В связи с широким распространением лёссовых пород на территории России и стран СНГ проблема борьбы с просадочностью этих пород в основаниях инженерных сооружений становится весьма актуальной. Ведь при промачивании лёсса происходит просадка и резкое уменьшение прочности грунта (под грунтом понимают любую горную породу, являющуюся предметом инженерной деятельности человека). При этом наблюдается потеря устойчивости основания, его интенсивная осадка и часто выдавливание водонасыщенного лёссового грунта из под фундамента сооружения, что обычно приводит к полному или частичному разрушению зданий, плотин, дорог и т.д. По оценкам специалистов, до 45% стоимости работ по строительству гражданских и промышленных объектов на лёссовых грунтах тратится на комплекс мероприятий, предотвращающих деформацию сооружений из-за просадочности. Познание природы просадочности лёссовых пород позволило разработать эффективные инженерные методы борьбы с этим грозным явлением. В основном эти методы сводятся к воздействию на неустойчивую специфическую структуру лёсса и трансформации ее в устойчивое недеформируемое состояние. При этом, исходя из описанного механизма просадки, стремятся повысить плотность лёссового грунта (снизить его активную пористость) и увеличить прочность контактов между минеральными частицами (перевести менее прочные, обратимые по отношению к воде, переходные контакты в более прочные — фазовые). Существует несколько способов борьбы с просадкой лёссов. Наиболее распространенным является механическое уплотнение лёссовых грунтов тяжелыми трамбовками, вес которых может достигать 10 т, а иногда и более. Обычно трамбовки многократно (до 10 — 16 раз) сбрасываются на уплотняемый участок грунта с высоты 4 — 8 м. Данный метод позволяет уплотнить толщу лёссового грунта на глубину до 3,5м. Если необходимо ликвидировать просадочные свойства лёссовых грунтов на глубину до 25 м, то проводят их глубинное уплотнение грунтовыми набивными сваями или энергией взрыва. Иногда для ликвидации просадочных свойств производят предварительное промачивание лёссового массива. При этом происходит спровоцированная просадка грунта, после чего он уплотняется, теряет просадочность и переходит в стабильное состояние. Одним из способов борьбы с просадочностью является термическое закрепление лёссовых грунтов, при котором через грунт с помощью специальных приспособлений пропускают раскаленный воздух или газы при температуре 300 — 800 њC. Под действием высокой температуры происходит оплавление и спекание минералов на контактах между отдельными частицами и агрегатами частиц и формируются прочные фазовые контакты кристаллизационного типа, устойчивые по отношению к воздействию воды. В результате существенно повышается прочность лёссового грунта и он становится непросадочным. Просадочность многих типов лёссовых отложений может быть также существенно уменьшена с помощью метода силикатизации. При этом в грунт через перфорированные трубы с одной стороны нагнетают раствор силиката натрия (жидкого стекла), а с другой — раствор хлористого кальция. При соединении обоих растворов в порах просадочного грунта образуется водонерастворимый гель кремниевой кислоты, который цементирует грунт и делает его непросадочным. К сожалению, данный метод в некоторых случаях может приводить к сильному химическому загрязнению закрепляемых пород, и поэтому в настоящее время он применяется очень редко.
Список литературы
Грунтоведение. Под ред. акад.Е.М. Сергеева М.: 1983.
Кригер Н.И. Лёсс, его свойства и связь с географической средой. М.: Наука, 1965.
Ларионов А.К. Инженерно-геологическое изучение структуры рыхлых пород. М.: Недра, 1986.
Вялов С.С. Реологические основы механики мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1978.447 с.
ГОСТ 25100-95 Классификация.
ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
Ершов Э.Д., Хрусталёв Л.Н., Дубиков Г. И, Пармузин С.Ю. Инженерная геокриология. М.: Недра, 1991.439 с.
Инженерная геокриология. Под ред. Э.Д. Ершова-М.: Недра, 1991.,439 с.
Основы геокриологии. Под ред. Э.Д. Ершова, Ч.1., М.: Изд-во
МГУ, 1995.368 с.
Кудрявцев В.А., Достовалов В.Н., Романовский Н.Н., КондратьеваК.А., Меламед В. Г Общее мерзлотоведение. М.: Изд-во МГУ, 1978.,464 с.
Цытович Н.А. Механика мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1973.448 с.
Шушерина Е.П. Сопротивление мёрзлых дисперсных пород разрыву в области низких температур (до -60С) — Мерзлотные исследования, 1974, вып 14, с179-189.