Лессовые породы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Лессовые породы

1.1 Происхождение

1.2 Структура лёссовых пород

1.3 Распространение

2. Просадочность лессовых пород

2.1 Характеристики просадочных свойств

2.2 Методы устранения просадочности лессовых грунтов

3. Фундаменты на лессовых и просадочных грунтах

3.1 Принципы строительства на просадочных грунтах

3.2 Улучшение строительных свойств просадочных грунтов

Список литературы



Введение

Среди специфических грунтов особую категорию составляют лёссовые просадочные грунты.

К просадочным грунтам в соответствии с ГОСТ 25100-95 следует относить пылевато-глинистые разновидности дисперсных осадочных минеральных грунтов (чаще всего лёссовые грунты), дающие при замачивании при постоянной внешней нагрузке и (или) нагрузки от собственного веса грунта дополнительные деформации -- просадки, происходящие в результате уплотнения грунта вследствие изменения его структуры. К просадочным относятся грунты с величиной относительной деформации просадочности

, д.е. 0.01.

Отсюда следует вывод, что изучение лёссовых просадочных грунтов представляет собой важную задачу в связи с их распространённостью в южных районах Российской Федерации. Особую важность сведения о лёссовых просадочных грунтах представляют для инженеров-строителей.

Просадочные лёссы распространены в южных районах Российской Федерации, где они участвуют в строении толщ лёссовых пород, покрывающих обширные пространства. Мощность лёссовых толщ изменяется от нескольких метров в северной части зоны их распространения до 50 -- 80 м, а местами и более в ее южной части.



1. Лессовые породы

лёссовый просадочность грунт строительный

Лёсс - (от немецкого Lцss, от диалектного lцsch - свободный, рыхлый) однородные, обычно неслоистые, пористые, слегка сцементированные, мергелистые или суглинистые покровные отложения. Сложены преимущественно зернами алевритовой размерности с подчиненным количеством частиц глинистой и мелкой песчаной фракции. По цвету лёссы бывают от палевых до светло-жёлтых или желтовато-коричневых, иногда содержат раковины, а также кости и зубы млекопитающих. Наличие узких вертикальных канальцев способствует образованию при обвалах крутых вертикальных стенок. Обладает просадочными свойствами. Слагает толщи значительной мощности (от нескольких метров до 100-200м)

Лёссовидные породы - осадочные породы морфологически напоминающие лёсс, по составу относящиеся к суглинкам и супесям. Лёссовидные породы отличаются от лёсса наличием слоистости и прослоев галечников, далее глинистым или более песчанистым составом. Часто залегают в виде небольших прослоев среди аллювиальных галечников. В центральных и северных частях Восточно-Европейской равнины лёссовидные породы известны под названием покровных суглинков. Лёссовидные породы могут иметь различный генезис - эоловый, аллювиальный, делювиальный, элювиальный.

В Геологическом словаре (Т. 1, Москва, изд-во «Недра», 1978) мы находим сходное определение:

Лёсс- алеврит, светло-желтой (палевой) окраски с общей пористостью 40-55%, с видимыми невооруженным глазом канальцами, неслоистый, известковистый, более или менее агрегированный, склонный обваливаться вертикальными глыбами и образовывать столбчатые отдельности и вертикальные обрывы. Залегает плащом, в том числе нередко на высших точках на водоразделов, обычно мощностью не менее нескольких метров.

«Содержание фракций: d=0,01-0,05мм (пылеватые фракции) 30-55%, d<0,005мм (глинистые фракции) 5-30%, d>0,25мм не более 5%, часто отсутствует. Кварца и силикатов 27-90%, глинозема 4-20%, углекислого кальция 6% и более.» [6]

Характерные свойства лёссов - однородность, переслаивание с погребенными почвами (не всегда), а также содержание раковин наземных моллюсков и известковистых журавчиков.

Журавчики - карбонатные конкреции диагенетического происхождения, их форма разнообразная, размеры редко превышают 10см. По мнению большинства исследователей, являются разновидностью ризоконкреций - конкреций образующихся вокруг корней путем их замещения и обрастания. Их форма трубчатая, субцилиндрическая, субконическая, иногда причудливо-желвачковая, как правило связанная с формой корней и стеблей растений но не совпадает с ней и является результатом роста по особому морфологическому закону, зависящему от фации вмещающих пород, что отличает их от псевдоморфоз аналогичного состава по корням или стеблям. В немецкой литературе карбонатные конкреции в лессах называют лессовыми куколками. Минеральный состава разнообразен кварц, полевой шпат, роговая обманка, слюда и др., но преобладающим является кварц. Лёсс пронизан многочисленными короткими вертикальными трубчатыми макропорами, общая пористость повышенная и достигает местами 50-60%, что свидетельствует о недоуплотненности. При сильном увлажнении лессы образуют просадки.

1.1 Происхождение

Более чем за вековую историю изучения лёссов было предложено не менее двадцати различных гипотез их происхождения. Обобщение этих данных позволило объединить все гипотезы в несколько групп, объясняющих возникновение лёссов эоловым (ветровым) и водным путем.

«Эоловая гипотеза. Ее основателем является Ф. Рихтгоффен (1877). Относя лёссы к эоловым отложениям, он не считал ветер единственным фактором образования лёссовых пород. После детального изучения лёссов Китая Ф. Рихт- гоффен пришел к выводу, что лёссовый (пылеватый) материал переносился и откладывался в бессточных впадинах ветром и дож- девой водой и удерживался там степной растительностью. Эоловая гипотеза нашла много последователей среди ученых России и других стран, которые развили и дополнили ее. Так, В.А. Обручев (1904) объяснял формирование сплошного лёссового покрова на высоких элементах рельефа за счет пыли, принесенной из отдаленных районов (экзотическая пыль). По мнению П.А. Тутковского (1899), ветры развевали ледниковые отложения и уносили пыль далеко от ледникового покрова, где она и образовывала лёсс. Американские ученые Ф. Леверетт (1899), Т. Чемберлин и др. (1909) основное значение придавали образованию пылеватых толщ за счет развевания речных и водно-ледниковых отложений близлежащих долин. \

Многие известные отечественные и зарубежные ученые, например, А.И. Москвитин, И.И. Трофимов, Н.И. Кригер были и до настоящего времени остаются горячими сторонниками эоловой гипотезы.

Это связано с тем, что данная гипотеза хорошо объясняет покровное залегание лёссов на больших площадях и подкрепляется фактами быстрого накопления в засушливых областях довольно мощных слоев пылеватых осадков после прохождения сильных пыльных бурь.

Гипотезы водного происхождения. Среди сторонников, рассматривающих лёсс как породу, сформировавшуюся в водной среде, следует отметить выдающихся ученых П.А. Кропоткина (1876), В.В. Докучаева (1892), А.П. Павлова (1898), Ю.А. Скворцова (1948), Н.И. Толстихина (1928). По мнению этих исследователей, образование тол- щи пылеватых осадков происходило в результате смыва и последующего переотложения склоновых пород, переноса и накопления минерального материала в речных долинах и озерах, а также переноса и накопления лёссовых отложений водно-ледниковыми по- токами. Существовала также точка зрения, что лёсс - это принесенная пыль, но переотложенная водными потоками. Все эти гипотезы рассматривают лишь процесс накопления пылеватых отложений, но не отвечают на главный вопрос: как пылеватый осадок превращается в лёсс с характерным набором признаков и свойств.

Почвенно-элювиальные гипотезы. В соответствии с этими гипотезами пылеватые отложения могут накапливаться любым путем, а их превращение в лёсс со всеми специфическими признаками этой породы происходит в результате почвообразования и выветривания. К сторонникам этой гипотезы следует отнести Л.С. Берга (1916), Н.М. Симбирцева (1900), Б.Б. Полынова (1934), И.П. Герасимова (1939). При рассмотрении данных гипотез, к сожалению, приходится констатировать, что они могут объяснить происхождения лишь отдельных лёссовых толщ.

Обобщение и анализ существующих в настоящее время гипотез происхождения лёссов позволяет сказать, что процесс формирования лёссовых пород состоит из двух этапов:

* накопление минерального пылеватого осадка, которое может происходить различными путями,

* превращение накопленного осадка в типичный лёсс, то есть в просадочную породу.

Безусловно, второй этап, характеризующийся появлением уникального явления - просадочности лёссов, имеет важнейшее значение. Ведь именно просадочность делает лёссы теми «загадочными» породами, над которыми уже более ста лет бьются ученые.

Из инженерной геологии известно, что лёсс:

* эолового происхождения;

* содержит соли CaCO3; CaSO4;

* имеет малую влажность;

* довольно однороден;

* характерная особенность наличия макропор.

Образование лёсса по эоловой теории с его характерными особенностями приведено на рисунке 1. Предполагается, что пылевато- глинистые мелкие частицы, наносимые ветром, постепенно откладывались слоями и прорастали растительностью.

Рисунок 1. Схема образования лёссового грунта по эоловой теории происхождения

Постепенно растительность сгнивала, вода испарялась, а соли кальция (по результатам гниения растительности) оставались. Поскольку водно-коллоидные связи, оставшейся пленочной воды, прочны и могут вы- держать большую нагрузку, то грунт не уплотнялся. Коэффициент пористости такого грунта практически оставался постоянным е ? const (отсюда определение не уплотненный грунт) - наличие большого количества макропор. Количество макропор в верхних слоях лёсса увеличивается из-за наличия землероев.

По гранулометрическому составу и числу пластичности лёссовые грунты относятся к пылеватым супесям и суглинкам.

Влажность лёссовых грунтов в естественном состоянии обычно не превышает 0,08…0,16, степень влажность менее 0,5, пористость -0,4…0,5.

Для лессовых грунтов характерно большое наличие макропор в виде трубчатых канальцев диаметром 0,1…4 мм, преимущественно имеющих вертикальное положение (рисунок 2).

По мере замачивания загруженного лёссового грунта наблюдается резкое уменьшение его объема, что приводит к просадке дневной поверхности и возведенных на ней сооружений.

Просадкой называют быстро развивающуюся осадку, вызванную резкими изменениями структуры грунта.

При природной влажности лёссовые грунты за счет цементационных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой более 10 м. Увлажнение лёссов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения - просадками. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными» [8]

Рисунок 2 . Схема макроструктуры лёссового грунта и возможности развития просадки при попадании в неё воды.

1.2 Структура лёссовых пород

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 0,005-0,05мм. 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 породявляется ее высокая агрегированность, когда пылеватые и глинистые частицы образуют изометричные агрегаты с размерами 0,01-0,25мм. Специфическое строение имеют песчаные и крупные пылеватые зерна, названные глобулами. Как показали наблюдения в электронном микроскопе, 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). В электронном микроскопе, при разрушении глобулы, в ее 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.

«Величина общей пористости лёссов обычно изменяется от 26 до 64%. Наибольшая пористость отмечается у лессов покрывающих предгорные имежгорные равнины, а также равнины Причерноморья и Восточной части Северного Кавказа. Менее пористы отложения северной части Русской платформы, Восточной Сибири. Имеющиеся данные различных авторов позволяют выделить три основные схемы, отражающие характер изменения пористости с глубиной:

1) закономерно выраженное уменьшение пористости;

2) циклическое изменение пористости в соответствии с особенностями строения толщи;

3) отсутствие какой либо четко выраженной закономерности.

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 0,05-0,5мм. Они обычно хорошо видны невооруженным глазом и пронизывают лёссовую породу в вертикальном направлении. Макропоры являются одним из важнейших диагностических признаков структуры просадочных лёссов.

Существует несколько гипотез возникновения макропор:

1) макропоры - следы корней растений;

2) большая часть макропор представляет собой своеобразные магистральные каналы, образовавшиеся в результате преимущественно вертикальной миграции воды и газов.

В пользу второй гипотезы свидетельствует наличие значительных выделений солей на стенках макропор. Однако нельзя недооценивать и роль растений, животных и насекомых в процессе образования макро- и мегапор в лессовых породах.

Изучение лессов в Алтайском крае показало, что количество макропор в лессах различно: от 1-3 на 1см² до 8-10 на 1см², а на отдельных участках до 15-20 макропор (как сито) на 1см². Чаще же на 1см² приходится 2-5 макропоры. Форма их, как правило, цилиндрическая, трубчатая. Сечение округлое. Диаметр макропор от 0,1 до 3-4мм, чаще 0,5-1,5мм. Расположены они субвертикально. Длина их различна: от долей сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Нередко эти канальцы имеют ответвления. Иногда встречаются изометричные макропоры. Судя по трубчатой форме макропор, их субвертикальности, происхождение большинства из них связано с ростом и отмиранием корней растений. Корни пронизывают всю почву густой сетью. Количество корней велико: по данным М.А. Глазовской, у одного из типичных луговых растений - мятлика, длина корней сосредоточенных в 1 дм³ верхнего горизонта почвы составляет 553м, а длина корней-волосков в этом же объеме - 73км.

Формирование макропор не заканчивается при выведении грунта из сферы активного почвообразования. Количество корней в единице объема на глубине 1,2м лишь в 3 раза меньше, чем на глубине 0,1-0,2м. В лессе до глубины 1-3м постоянно и активно продолжается процесс формирования макропор. Макропоры по отношению к грунту являются сингенетичными, в меньшей мере - эпигенетичными.

Помимо растений большое участие в формировании макропор принимают многочисленные представители животного мира: черви, личинки жуков, кроты и другие землерои. Полости животного происхождения составляют заметную часть порового пространства и в основном являются сингенетичными. По сведениям В.В. Докучаева, на одной десятине отмечалось до 1,836 млн. личинок хлебных жуков.

Не исключается образование определенного количества пор и при циклическом промерзании и оттаивании пород (формировании пор при промерзании грунтов в результате процессов пучения и образования стяжений льда). Некоторая часть порового пространства грунта непосредственно обязана неплотному сложению эоловых частиц в почве из-за отсутствия внешней нагрузки на них, “дыханию” почвы при ее промерзании и оттаивании. Просадочность связана с недоуплотнением грунтов и наличием макропор.

Сохранению просадочных свойств лессов (до глубины 8-12м) способствовала благоприятная климатическая обстановка в позднечетвертичную и современную эпохи: континентальные условия с относительно небольшим количеством осадков и значительным испарением, о чем свидетельствует характерный для этого периода типичный степной ландшафт. При этом формировались, в основном, черноземные и каштановые почвы с непромывным режимом, наблюдаемые на Алтае и в настоящее время. Просадочные лессовые отложения имеют территориальную приуроченность именно к таким почвам.

Образующиеся покровные лессы в течение всего этого длительного времени (22 тыс. лет) в основном имели низкую влажность, при которой не происходило разрушение структурных связей лессов. Это в значительной мере способствовало сохранению макропористости (а значит и просадочных свойств лессов) при накоплении новых поступлений эолового материала, погружении грунтов на большие глубины, т.е. при повышении давления от вышележащих осадков. Но при этом грунты все же подвергались некоторому уплотнению от возрастающих нагрузок, и с глубиной постепенно уменьшалась пористость и снижалась относительная просадочность грунта. На глубине 8-12м, где вертикальное напряжение от собственного веса грунта достигает 0,16-0,20 МПа, грунты уже заметно уплотнены, приобрели низкую пористость (41-43%), а просадочные свойства ими утрачены.

Консервация макропористости и просадочных свойств грунтов была возможна в условиях, когда лессы обладали повышенным содержанием легко- и среднерастворимых солей, фиксирующих, цементирующих стенки пустот (макропор). Такие просадочные грунты с более жесткими структурными связями могут встретиться и на больших глубинах (15-25м), залегая среди непросадочных лессов. Подобные грунты иногда отмечались при изыскании на Приобском плато.

Наиболее важными в структуре лёссовых пород являются межагрегатные и межзерновые микропоры. Эти микропоры обычно имеют изометричную форму, а их размер изменяется от 0,008 до 0,05мм. 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 с размером менее 0,008мм. 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 увлажнениипороды. 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.» [6]

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. Одновременно возрастает содержание мелких межагрегатных и внутриагрегатных микропор.

1.3 Распространение

Лёссовые породы встречаются на всех континентах, но наиболее широко они распространены в Европе, Азии и Америке. По подсчетам специалистов, при средней мощности лёсса 10м общая площадь, занятая лёссовыми породами на земном шаре, составляет 19 млн.км². Северная граница распространения лёссов опускается в Европе до 60⁰ с. ш., в Азии она проходит гораздо севернее, а южная граница достигает 28⁰С.Ш. В тропических и субтропических областях лёссы не встречаются.

На территории стран СНГ площадь, покрытая лёссовыми породами, составляет около 34% континентальной части СНГ. Лёссы лежат сплошным покровом на большей части Украины (до 80%) и юге европейской части России. Большие площади покрыты лёссовыми породами в Средней Азии, Казахстане, Восточной, Южной и Западной Сибири. Довольно часто они встречаются в Белоруссии, Поволжье, Якутии и других районах.

Они имеют значительное распространение на обширных пространствах равнинной и предгорной частях края. Лёссы имеют площадное развитие. Явный покровный, плащеобразный характер их залегания подчеркивается тем, что они распространены на разных элементах рельефа и на разных абсолютных отметках, почти не меняя своей мощности.

Огромные территории в крае (400х400км) покрыты лёссом: водораздельные пространства, склоны и высокие террасы крупных рек. Почти повсеместно они распространены в Приобском плато, Бийско-Чумышской возвышенности, Предалтайской равнине, Ненинской равнине, в предгорьях Салаирского кряжа и в пределах Обь-Чумышской озерно-аллювиальной равнины (4-ая надпойменная терраса р. Оби).

В Кулундинской равнине сплошной покров лёссов отмечается только в восточной и северной ее частях. В центральной, западной и южной частях равнины они имеют спорадическое развитие.

Лёссы отсутствуют в долинах древнего стока. В долинах рек Оби, Чарыша, Песчаной, Чумыша, Ануя, Алея и др. рек их также нет на поймах и, как правило, нет на первой и второй надпойменных террасах (хотя местами они там отмечаются). На 3-ей и 4-ой террасах они получили большое развитие.

В горных областях Алтая, где получили значительное развитие делювиально-коллювиальные процессы, и в составе покровных отложений присутствует грубый терригенный материал, лёссов почти нет, хотя эти породы и имеют многие черты лёссовых грунтов, в том числе, нередко, и просадочность. Но ввиду наличия в них дресвы и щебня отнести их к лёссам нельзя. Они отмечаются лишь на тех ограниченных ровных участках, где в составе отложений отсутствуют дресва и щебень.

Мощность лёссов обычно составляет 8-10м. Нередко она достигает 12-13м, особенно в центральных, северо-восточных и восточных частях края. В юго-западных частях края мощность лёссов уменьшается до 1-5м (Кулундинская равнина), местами они вовсе отсутствуют.

Лёссы - это молодые отложения четвертичной системы, возникшие в недавнее геологическое время (не более 1,5 млн. лет тому назад), а в определенных физико-географических условиях они могут образовываться прямо на глазах человека, например, в результате пыльных бурь. По условиям залегания лёссы повсеместно располагаются в виде покровов (то есть не перекрыты другими отложениями). Мощности лёссовых пород колеблются от нескольких сантиметров до десятков и даже сотен метров. В северных районах, где лёссовые отложения развиты лишь на отдельных участках, их мощность составляет 5-10м, а в районах сплошного распространения (на юге Украины, Северном Кавказе) она повышается до 30-50м и более. Самые мощные разрезы лёссовых пород (до 100-200м) обнаружены в межгорных впадинах на территории Средней Азии.



2. Просадочность лессовых пород

Просадочность - специфическое свойство лёссовых пород. Она обусловлена особенностями их состава, состояния и строения.

«Здесь в первую очередь наиболее важными являются следующие пять позиций:

1) Лёссовые породы представляют собой структурированные песчано-глинисто-пылеватые дисперсные системы с резким преобладанием пылеватых частиц и обладают малой гидрофильностью, что обуславливает отсутствие или очень маленькую величину потенциального их набухания при увлажнении;

2) Лёссовые породы характеризируются низкими значениями плотности скелета и высокой пористостью (42-45% и даже несколько выше), причём среди пор преобладают поры открытые;

3) Эти породы до момента замачивания обладают низкой природной (естественной) влажностью и, соответственно, твёрдой или полутвёрдой консистенцией;

4) В лёссовых породах в различных, нередко больших количествах (до 10% и более) присутствуют карбонаты и водно-растворимые соли, которые в условиях не высокой природной влажности обуславливают структуру переходного (коагуляционно-цементационного) типа с высокой прочностью структурных связей и всего грунта в целом;

5) Прочность такой структуры в лёссовых породах резко по величине и быстро во времени падает при водонасыщении (вплоть до практически моментального размокания небольших образцов, помещённых в спокойную воду).» [5]

« Просадка грунта - это сложный физико-химический процесс. Основным его проявлением является уплотнение грунта за счёт перемещения и более компактной укладки отдельных частиц и их агрегатов, благодаря чему понижается общая пористость грунта до состояния, соответствующему действующему давлению. В связи с повышением степени плотности грунта после просадки прочностные характеристики его несколько возрастают. При дальнейшем увеличении давление процесс уплотнения лёссового грунта в водонасыщенном состоянии продолжается, вместе с этим увеличивается и его прочность.

Изложенное выше показывает, что необходимыми условиями для проявления просадки грунта являются:

1) Наличие нагрузки от собственного веса грунта или фундамента, способной при увлажнении преодолевать силы связности грунта;

2) Достаточное увлажнение, при котором в значительной степени снижается прочность грунта.

Под совместным влиянием этих двух факторов и происходит просадка грунта.» [3]

2.1 Характеристики просадочных свойств

Рисунок 3. Зависимость деформаций (а) и относительной просадки (б) лёссового грунта от нормального давления.

К числу основных характеристик относится относительная просадочность , начальное просадочное давление , начальная просадочная влажность .

Относительная просадочность определяется по результатам испытаний грунтов в компрессионных приборах с замачиванием образцов.

Она представляет собой относительное сжатие грунта при заданых давлениях и степени повышения влажности и определяется по формуле:

- применяется при природном W, после замачивания

- применяется после замачивания

- применяется при природном W, после обжатия

Грунт считается просадочным при условии 0.01

Относительная просадочность зависит от давления, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.

Начальное просадочное давление - это давление, при котором относительная просадочност , т.е. при котором грунт считается просадочным.

Легко устанавливается из графика зависимости от давления Р (рисунок 3 (б)) который в свою очередь строится при испытаниях образцов лессового грунта в компрессионных испытаниях с замачиванием при различных нагрузках. Эта характеристика является очень важной при расчете просадок.

За начальную просадочную влажность по аналогии принимается влажность, при которой в условиях заданных давлений относительная просадочность равна 0.01.

При расчете оснований и фундаментов на просадочных грунтах по II предельному состоянию требуется выполнение условия : , при этом давление зависимости от предпологаемого состояния грунтов по влажности, т.к. замачивание приводит к значительному снижению прочностных характеристик, а следовательно, существенному уменьшению их расчетного сопротивления и несущей способности.

Так например, за счет разрушения структурных связей особенно резко (в 6…10 раз) снижается сцепление при относительно небольшом (в 1,05…1,2 раза) уменьшении угла внутреннего трения.



2.2 Методы устранения просадочности лёссовых пород

В связи с широким распространением лёссовых пород на территории РФ проблема борьбы с просадочностью этих пород в основаниях зданий и инженерных сооружений всегда была актуальной. Проблема заключается в том, что при промачивании лёсса происходит просадка и резкое уменьшение прочности основания. При этом наблюдается потеря устойчивости основания, что зачастую приводит к полному или частичному разрушению зданий и сооружений.

«Для устранения просадочных свойств лессовых оснований применяются различные методы. Ниже приведены основные из них, имеющие свои достоинства и недостатки:

1. Наиболее распространенным методом, на первом этапе борьбы с просадочностью лессовых оснований, являлся метод механического уплотнения лёссовых грунтов тяжелыми трамбовками многократно (до 10 - 16 раз) сбрасываются на уплотняемый уча- сток грунта с высоты 4 - 8 м. Данный метод позволяет уплотнить толщу лёссового грунта на глубину до 3,5м.

Недостатком данного метода является влияние динамических воздействий, вызванных трамбованием, на близкорасположенные здания и сооружения.

2. Глубинное уплотнение грунтовыми набивными сваями применяют, если необходимо ликвидировать просадочные свойства лёссовых грунтов на глубину более 10 м. И в этом случае при пробивке скважин для устройства свай возникают динамические колебания в грунтах основания.

3. Ликвидировать просадочные свойства возможно методом предварительного замачивания лёссового массива. При этом происходит спровоцированная просадка грунта, после чего он уплотняется, теряет просадочность и переходит в стабильное состояние. При применении данного метода необходим значительный комплекс мероприятий для исключения замачивание оснований под рядом расположенными зданиями и сооружениями

4. Одним из ранних способов борьбы с просадочностью являлся метод термического закрепления лёссовых грунтов, при котором через грунт с помощью специальных приспособлений пропускался раскаленный воздух или газы при температуре 300 - 800 градусов. Под действием высокой температуры происходило оплавление и спекание минералов на контактах между отдельными частицами и агрегатами и формировались прочные фазовые контакты кристаллизационного типа, устойчивые по отношению к воздействию воды. В результате существенно повышалась прочность лёссового грунта и он становился непросадочным. Минусом данного метода являлось значительное химическое «загрязнение» закрепляемых пород, и поэтому в настоящее время он не применяется.

5. Одним из наиболее эффективных в настоящее время методов устранения просадочности является метод силикатизации лёссовых грунтов. Растворы химических веществ вводят в грунт при помощи инъекторов. Погружают инъекторы посредством забивки, осуществляя ее заходками, несколько превышающими длину перфорированной их части, обычно равную 0,5-1,5 м. На глубине каждой заходки производят нагнетание закрепляющих веществ, используя насосы, специально изготовляемые для химического закрепления грунтов. Радиус распространения нагнетаемых веществ в грунте колеблется в пределах 0,4- 1,0 м, а глубина погружения инъекторов может достигать 15-20 м и более. К недостаткам данного метода можно отнести его высокую стоимость и сложность контроля сплошности закрепленного массива.» [4]



3. Фундаменты на лессовых и просадочных грунтах

Трудность строительства сооружений на лёссовых просадочных грунтах состоит в том, что при обводнении грунтов в основании сооружений происходят большие и часто не равномерные деформации, называемые просадками.

В результате сооружения разрушаются и становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации.

«Просадки лёссовых грунтов возникают при одновременном воздействии двух факторов:

1) Нагрузок от сооружений и собственного веса грузовой просадочной толщи;

2) Замачивания при подъеме горизонта подземных вод или за счет внешних источников (атмосферные осадки, промышленные сбросы, утечки и т.д.)

Просадочные свойства проявляются в лёссах только при достижении влажностью некоторого предела , называемого начальной просадочной влажностью.

Просадочность грунтов часто оценивается показателем просадочности П:

где e - коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности.

Коэффициент пористости, соответcтвующий влажности на границе текучести и определяемый по формуле:

где p_s и p_w - соответственно плотность твердых частиц и воды.

Показатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь определяет склонность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадки грунта.» [7]

3.1 Принципы строительства на просадочных грунтах

В первую очередь при проектировании оснований и фундаментов зданий на просадочных грунтах учитывают возможность их умачивания и возникновения просадочных деформаций.

Надежность и нормальная эксплуотация зданий достигается применением одного из следующих принципов:

Осуществление комплекса мероприятий, включающего подготовку основания, (в водозащитные и конструктивные мероприятия входят: компановка генплана; планировка застраиваемых территорий; устройство под зданиями маловодопроницаемых экранов; качественная засыпка водонепроницаемых котлованов и траншей; устройство вокруг зданий водонепроницаемых отмосток; отвод аварийных вод за прделы зданий и в ливнесточную сеть.)

Конструктивные мероприятия объединяют в группы по составу и способам осуществления традиционных, для строительства, в особых грунтовых условиях.

Для жестких зданий:

· эта разрезка зданий осадочными швами на отсеки

· устройство железо - бетонных поясов и армированных швов

· усиление фундаментно - подвальной части путем применения монолитных или сборно - монолитных фундаментов

Для податливых и гибких зданий:

· мероприятия по дополнительному увеличению потдатливости (введение гибких связей;повышение площади операния)

· место, обеспечивающие нормальную эксплуотацию зданий при возможных, часто неравномерных просадок. Для этого применяют конструктивные решения, позволяющие в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуотаию кранов, лифтов, оборудования, путем рихтовки подкрановых путей и направляющих лифтов, поднятия опор домкратом.

3.2 Улучшение строительных свойств просадочных грунтов

Достигается их уплотнением или закреплением, устройством грунтовых подушек.

«Эффективным способом является уплотнение тяжелыми трамбовками. Но следует помнить, что удары тяжелых трамбовок создают колебания в грунтовом массиве и учитывать при уплотнении грунта внутри существующих зданий.

Устройство грунтовых подушек обеспечивает создание в основании фундаментов слоя непросадочного грунта.

Двухслойное уплотнение путем сочетания поверхностного уплотнения тяжелой трамбовкой и устройства по верху уплотненного слоя грунта грунтовой подушки

Могут устраиваться и фундаменты в вытрамбованных котлованах, фундаментов в виде пирамидальных свай и забивных блоков.

Применяются поверхностное уплотнение подводными взрывами.

Уплотнение предварительным замачиванием (на больших территориях вновь застраиваемых площадках)

Широко используют уплотнение оснований пробивкой скважин (грунтовые сваи) и глубинными взрывами

Для закрепления просадочных грунтов применяют матоды однорастворной силикатизации или термообжига.

Прорезка просадочных грунтов обычно осуществляется с помощью свайных фундаментов.» [2]

Целесообразно применение забивных и, особенно, конических и пирамидальных свай, а также набивных свай в пробитых или полученных путем уплотнения грунтов взрывами зарядов в скважинах.

Сваи должны полностью прорезать просадочную толщу и опираться на подстилающие грунты повышенной сложности и НС (плотные глинистые грунты, гравий, плотные пески).

Неполная прорезка просадочных грунтов сваями допускается лишь в тех случаях, если расчетные деформации не превышают допустимых величин.

НС свай в просадочных грунтах определяют, как правило, путем статических испытаний, возможно воспользоваться также и данными статического зондирования. В обоих случаях перед началом испытаний грунт замачивают до полного водонасыщения.



Список литературы

1. Кригер Н.И. Лёсс. Формирование просадочных свойств. М.: Наука, 1986.

2. Лессовые породы Западной Сибири и методы устройства оснований и фундаментов: Монограф. Г.И. Швецов - М.: Высшая школа, 2000. 244 с

3. Крутов В.И. Основания и фундаменты на просадочных грунтах. Киев, 1982. 6 с

4. Основания и фундаменты: Справочник / Г.И. Швецов, И.В. Носков, А.Д. Слободян, Г.С. Госькова; под ред. Г.И. Швецова.- М.: Высш. шк., 1991. 383 с

5. Трофимов В.Т. Генезис просадочности лёссовых пород, Издательство Московского государственного университета, 1999. 10 с

6. Лысенко М.П. Лёссовые породы, М., «Недра», 1978, 38-44 с

7. Крутов В.И., Багдасаров Ю.А., Проектирование и строительство на лёссовых просадочных грунтах // Основания, фендаменты и механика грунтов. 1995. 15-19 с

8. Пантюшина Е.В. Лессовые грунты и инженерные методы устранения их просадочных свойств, Ж., «Ползуновский вестник» №1, 2011. 127-128 с

Размещено на Allbest.ru

...