Тема 1. Особенности и строительные свойства лёссовых просадочных грунтов

В результате освоения материала, изложенного в настоящей теме, посвящённой расчётно-теоретическому установлению типа грунтовых условий по просадочным свойствам с целью дальнейшего корректного выбора метода искусственного улучшения грунтов, основания зданий и сооружений, возводимых на структурно-неустойчивых грунтах, проявляющих просадочные свойства, обучающийся должен:

знать

— естественнонаучные основы дисциплины для разработки геофизических, инженерно-геологических и геотехнических решений при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам;
— нормативную базу в области разработки геофизических, инженерно-геологических и геотехнических решений при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам;
— особенности проведения инженерных изысканий в просадочных грунтах с использованием универсальных и специализированных программно-вычислительных комплексов;
— функциональные основы проведения лабораторных и полевых методов определения типа грунтовых условий по просадочности;

уметь

— разрабатывать геофизические, инженерно-геологические и геотехнические решения при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам;
— на основании актуальных нормативных документов устанавливать и компетентно оценивать геофизические, инженерно-геологические и геотехнические характеристики при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам;
— планировать проведение и осуществлять инженерные изыскания в грунтовых массивах, проявляющих просадочные свойства, с использованием универсальных и специализированных программно-вычислительных комплексов;

— на основе вариантного сравнения современных лабораторных и полевых методов определения просадочных свойств грунтовых оснований проводить геотехническую оценку результатов исследований, контролировать соответствие полученных характеристик стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам;

владеть

— знаниями для выбора и разработки геофизических, инженерно-геологических и геотехнических решений при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам;
— навыками по профессиональному восприятию информации в нормативных документах при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам;
— основами проведения инженерных изысканий при определении типа грунтовых условий по просадочным свойствам с использованием универсальных и специализированных программно-вычислительных комплексов;
— принципами геотехнической оценки результатов исследований, контролирования соответствия полученных характеристик стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам.

Изучением лёссовых пород занимались видные русские учёные Л. С. Берг, И. П. Герасимов, К. И. Лисицын, В. А. Обручев, А. П. Павлов, Б. Б. Полынов, П. А. Тутковский, В. Т. Трофимов и другие, создавшие ряд научных теорий об их происхождении, включая: эоловую, водно-ледниковую, пролювиальную, делювиальную, аллювиальную, почвенно-аллювиальную и др. [49]. Среди них распространение получили эоловая, водно-ледниковая и пролювиальная гипотезы. Однако единого мнения о происхождении лёссовых просадочных пород нет [1, 6, 22, 28, 33, 38, 58, 76].

В связи с интенсивным строительством в районах распространения лёссовых пород в нашей стране, наряду с приобретением практического геотехнического опыта, проводятся систематические фундаментальные исследования лёссовых грунтов, строительные свойства которых необходимо знать для обоснования условий генезиса лёссовых пород.

Специфические свойства лёссовых грунтов в основном определяются: крупными вертикально расположенными порами и каналами растительного и животного происхождения; способностью держаться вертикальными обрывами значительной высоты в открытых местах, подвергающихся действию атмосферных осадков; быстрой размокаемостью в воде; отсутствием мелкой слоистости; светлой окраской в сухом состоянии. Именно макропористая структура, по мнению Ю. М. Абелева [1], существенно влияет на деформационные, прочностные и фильтрационные свойства лёссовых пород, их анизотропию

По данным Ю. М. Абелева, М. Ю. Абелева [1], Г. А. Мавля- нова [38], А. А. Мустафаева [45, 46] и других исследователей, коэффициент фильтрации лёссовых пород в вертикальном направлении равен (3-5-6) • 10“⁶ см/с, а в горизонтальном направлении оказался равным (1-5-8) • 10^-8 см/с.

Особенность лёссовых пород состоит в том, что при водона- сыщении и даже при увеличении влажности существенно усиливаются их деформационные (s и s_sl) и снижаются прочностные (ф и с) свойства. Резкое увеличение деформаций лёссовых пород под действием постоянной по величине нагрузки при увлажнении (и/ > w_sat) названо просадкой s_sl. Просадка лёссовых пород представляет собой неравномерные и большие деформации, преимущественно вертикального характера, происходящие вследствие существенного изменения их физико-механических свойств под влиянием воздействия влаги в условиях определённого напряжённого состояния. Основными условиями возникновения просадочных деформаций в лёссовых породах являются: высокая пористость, которая, как правило, более 45 % (п > 45 %); сравнительно большая, особенно в вертикальном направлении, водопроницаемость, обеспечивающая достаточно быстрое проникновение влаги вглубь толщи; проникновение в грунт воды в количестве, обеспечивающем создание увлажнённой зоны с влажностью, отвечающей данному виду грунта и его напряжённому состоянию; своеобразный гранулометрический состав, характеризуемый преобладанием пылеватых (обычно более 50 %) и незначительным содержанием глинистых фракций (до 20 %); наличие растворимых в воде солей (хлоридов, сульфатов и карбонатов).

Необходимо отметить работы в этой области Ю. М. Абелева, М. Ю. Абелева [1], В. П. Ананьева [6], А. А. Григорян [13], Н. И. Кригера [32], В. И. Крутова [34, 35], Г. А. Мавлянова [38], А. А. Мустафаева [45, 46] и других исследователей.

Лёссовые породы обладают рядом специфических особенностей, что определяется структурой этих грунтов, которая зависит от места слоя просадочного грунта в массиве, возможности замачивания, генезиса и других факторов. Некоторые виды лёссовых суглинков характеризуются способностью к набуханию при замачивании без нагрузки. Величина давления набухания р, МПа, при невозможности подъёма верхнего штампа компрессионного прибора для суглинков составляет от 0,05 до 0,07 МПа. Величина относительного набухания ?_svvзависит от начальной пористости породы, её влажности и минералогического состава. Многие лёссовые суглинки, которые при замачивании без нагрузки являлись набухающими, после их нагружения и замачивания становились просадочными, при этом величина относительной просадочности e_si для лёссовых суглинков при вертикальном давлении на образец грунта р = = 0,3 МПа составляла e_s! = 0,058. Это означает, что склонность лёссовых суглинков к набуханию не свидетельствует о непро- садочности грунтов.

Анализ результатов многочисленных исследований отечественных учёных по изучению количественных характеристик, приведённых в табл. 1.1 и 1.2, а также начальное просадочное давление p_s/ и начальная просадочная влажность w_sl просадоч- ных лёссовых пород в различных районах показывают, что для большинства из них характерно постоянное значение величины относительной просадочности e_sl на глубину до 10 м. Глубже этой отметки, до 25—40 м, наблюдается снижение величины e_sl. С увеличением влажности w наблюдается равномерное уменьшение величины e_sl и начального просадочного давления p_sl.

Следовательно, просадочные грунты не могут служить прочным основанием под здания или сооружения без техногенного преобразования их строительных свойств как при капитальном строительстве, так и в условиях реконструкции. Обеспечение надёжности и эксплуатационной пригодности сооружений, возводимых на таких грунтах с помощью различных инженерно- технических мероприятий, приводит к удорожанию строительно-монтажных работ, увеличению расхода материалов и сроков строительства. В настоящее время применяются конструктивные, механические и физико-химические методы, обеспечивающие необходимую надёжность зданий и сооружений, возводимых на просадочных и других структурно-неустойчивых породах [1—5, 7—12, 28—29, 31, 35, 40—43, 47—49, 54—56, 58—68, 70, 76, 91, 109]. Выбор комплекса эффективных мероприятий в каждом конкретном случае является важной и сложной задачей. В условиях реконструкции наиболее приемлемым методом устранения полной или частичной просадки грунтов является его физико-химическое закрепление геотехническими методами или армированием структурно-неустойчивого массива упрочнёнными элементами, закладываемыми в массив вертикально, горизонтально или наклонно. При передаче нормального давления от фундамента на упрочнённое закреплением или армированием грунтовое основание армирующие элементы, включаясь в совместную работу с окружающим их массивом грунта, снижают деформативность его укреплённой части, взаимодействуя с грунтом по боковой поверхности за счёт сил трения и сцепления, а также торцам за счёт сопротивления грунта, подстилающего закреплённый или армированный массив.

Автор: Мустакимов Валерий