Процессы, связанные с увлажнением
И высыханием грунтов
К процессам этого класса относятся просадочность лёссовых грунтов, набухание, усадка, липкость, размягчаемость, размокание и просадка берегов каналов. Этот последний процесс рассматривается в разделе, посвященном инженерно-геологическим процессам на каналах. Следует отметить, что перечисленными терминами – просадочность, набухание, усадка, липкость, размягчаемость и размокание называют не только геологические процессы, развивающиеся в грунтах, но также и соответствующие водно-физические свойства, измеряемые в лаборатории для оценки этих процессов.
Просадочность лёссовых грунтов (или просто просадочность) – это доуплотнение лёссовых грунтов при замачивании под нагрузкой.
Лёссовые грунты, обладающие этим свойством, широко распространены на территории России и других стран СНГ – встречаются в Южном Поволжье, на Северном Кавказе на юге Западной Сибири, на Украине, в государствах Средней Азии. Обычно лессовые грунты залегают на поверхности земли толщей в несколько метров по мощности и в тысячи метров по простиранию. Несколько упрощая существо вопроса, можно определить, что лессовые грунты – это глины, суглинки и супеси с преобладанием в составе пылеватой фракции и обладающие повышенной пористостью.
Характерным признаком лессов является присутствие в их составе карбоната кальция в количестве до 10-20% и гипса – до первых процентов. Различие между собственно лёссами и лессовыми породами устанавливается по результатам лабораторного анализа их состава и свойств, в то время как в обычной речи оба этих термина могут использоваться как синонимы.
Большинство исследователей относят лессы к континентальным породам, сформировавшимся в условиях сухого прохладного климата. Отмечается природная недоуплотненность лессов – то есть их повышенная пористость по сравнению с пористостью аналогичных по составу глинистых пород, обладающих естественной пористостью и соответственно не называемых лессовыми.
Наряду с обычной для глинистых пород микропористостью большинство лессов обладает также макропористостью – то есть пустотами диаметром около миллиметра, видимыми невооруженным глазом. Предполагается, что при замачивании вода разрушает структурные связи между частицами лесса, срабатывает как смазка, в результате чего порода дает просадку – доуплотняется под давлением от собственного веса либо сжимается еще сильнее от веса сооружения, выстроенного на поверхности земли.
Схема просадки образца грунта показана на рисунке 2.22.
Рис. 2.22. Просадочность лессовой породы при замачивании (метод одной кривой)
Как можно видеть, поначалу сухой образец незначительно сжимается под действием вертикальной нагрузки. Далее, после подачи воды, происходит быстрое резкое сжатие (просадка) и потом снова медленное нарастание осадки, если продолжать увеличивать нагрузку.
Просадочные явления могут иметь место, как на освоенных территориях, так и в естественных условиях. На территориях развития лессов в природе встречаются замкнутые понижения рельефа, получившие названия поды, степные блюдца или бессточные долы. Их протяженность может составлять до первых сотен метров, а глубина – до нескольких метров. Предполагается, что поды сформировались за счет естественной просадки, так как изначально в течение многих тысяч лет служили местом локального водосбора с окружающей территории.
Неблагоприятные просадочные явления регулярно случаются при строительстве и эксплуатации сооружений на лессовых грунтах. Причиной просадки обычно становятся замачивание основания, вызванное всевозможными утечками воды – из водопровода, канализации, плохого отведения дождевых и талых вод. В таком случае под сооружением формируются отдельные увлажненные и неувлажненные участки, соседствующие между собой.
По увлажненным участкам при этом возможно развитие просадочных деформаций, которые по различным наблюдениям могут достигать первых десятков сантиметров, что неприемлемо для сооружений массовой застройки. В зданиях развиваются разламывающие напряжения, приводящие к появлению трещин, нарушению условий эксплуатации и продолжительному неоднократному ремонту.
Меры противодействия просадочному процессу. Наиболее эффективны и распространены следующие меры:
· защита основания от попадания воды и замачивания;
· устройство фундамента, проходящего лессы насквозь и передающего нагрузку на нижележащие породы.
В нашей стране в зоне распространения лессовых грунтов проживают миллионы людей, здесь расположены сотни населенных пунктов. Сооружения в них находятся в нормальном рабочем состоянии благодаря хорошо выполненным изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий, однако отрицательные примеры все-таки регулярно случаются.
Пример 1. В конце 1970-х годов в Советском Союзе в городе Волгодонске строился завод по производству ядерных реакторов «Атоммаш».
Выделенная для завода территория располагалась на многометровой лессовой толще, из-за чего проектировщики отказались от идеи свайного основания и запроектировали ленточные фундаменты для стен и плиты-фундаменты для технологического оборудования.
Далее были сильно растянуты сроки строительства – котлованы простояли по много месяцев открытыми, являясь местом сбора дождевых и талых вод, в них произошло замачивание лессовых грунтов. В результате всего этого еще несколько лет по окончании строительства происходили осадки оснований оборудования, и завод с опозданием вышел на проектную мощность.
Набухание – процесс увеличения в объеме грунтов при увлажнении.Этим же термином называют соответствующее водно-физическое свойство.
Способностью к набуханию обладают преимущественно жирные глины морского происхождения с большим содержанием глинистой фракции и малой природной влажностью. Участки распространения набухающих глинистых пород имеются по всей территории страны, но в целом площадь их распространения не велика.
В естественных условиях процесс не интенсивного развития, так как набухающие грунты отличаются слабой водопроницаемостью и это обстоятельство препятствует проникновению влаги вглубь толщи и соответственно набуханию большого объема.
В условиях строительства и эксплуатации сооружений при утечках воды из инженерных сетей и при протекании вод атмосферных осадков в подвалы и котлованы возможно замачивание более значительных масс набухающих грунтов. Следствием может явиться подъем дневной поверхности на первые десятки сантиметров и развитие трещин в конструкциях сооружений.
На практике при условии правильно выполненных изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений набухание не проявляется и отрицательных последствий не имеет.
Усадка – процесс уменьшения грунтов в объеме при высыхании. Способностью к усадке обладают только глинистые грунты с повышенной влажностью.
При высыхании по их поверхности происходит сильное стягивание и растрескивание на куски размером до нескольких десятков сантиметров, разделенных трещинами глубиной в несколько сантиметров.
В отдельных случаях усадка может явиться началом процесса эрозии или осыпания материала на склоне, но существенного влияния на сооружения не оказывает.
Размягчаемость – процесс снижения прочности и увеличения сжимаемости скальных и полускальных пород при увлажнении. Свойству размягчаемости способствует повышенная проницаемость породы для воды, ее пористость и трещиноватость, а также присутствие в породе глинистых и растворимых минералов.
Наиболее размягчаемыми являются полускальные породы такие как мел, мергель, диатомит, трепел, глинистые сланцы, бурый железняк, бокситы, алевриты, сильнопористые туфы.
Наименее размягчаемы магматические и метаморфические породы силикатного состава – граниты, габбро, базальты, гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы и т.п. Повышенная размягчаемость наблюдается у пород, залегающих в пределах деятельного слоя и в области колебания уровня грунтовых вод.
Размягчаемость горных пород принимается во внимание в тех случаях, когда в результате строительства или эксплуатации сооружения ожидается дополнительное увлажнение основания, подъем уровня грунтовых вод, заполнение объема водохранилища или канала.
Размокание – процесс дополнительного увлажнения и увеличения сжимаемости глинистых грунтов. Обычно этот процесс происходит в грунтах, залегающих на или вблизи поверхности земли, и может стать причиной размыва, осыпания, оплывания или оползания глинистых грунтов, залегающих на склонах.
Скорость размокания зависит от минерального состава породы, влажности, структуры и текстуры грунта. Быстрее других размокают глинистые грунты с небольшим содержанием глинистой фракции и высокой пористостью – лессы, супеси, легкие суглинки, медленнее размокают тяжелые суглинки и глины.
Способность грунтов к размоканию учитывается при проектировании и производстве земляных работ – при вскрытии и проходке котлованов и выемок, строительстве насыпей, грунтовых дорог и т.п.
Липкость – способность глинистого грунта прилипать к различным предметам.
Сильнее всего липкость проявляется у грунтов при влажности несколько большей, чем влажность на пределе раскатывания. При этом планочная вода, находящаяся в грунте сильнее всего взаимодействует с приложенными к грунту предметами.
Липкость принимается во внимание при оценке работы землеройной техники и в случае устройства полотна грунтовых дорог.
Размываемость – способность грунта отдавать свои частицы потоку движущейся воды. Наиболее сильно проявляется у песков, супесей и лессов, слабее у суглинков и глин и практически не проявляется у скальных и полускальных пород, для разрушения которых требуется длительное геологическое время.