Лессовые просадочные грунты - Реферат

Вот выноска из свода правил по инженерно - геологическим изысканиям при строительстве: К просадочным грунтам в соответствии с ГОСТ 25100-95 следует относить пылевато-глинистые разновидности дисперсных осадочных минеральных грунтов (чаще всего лессовые 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. Для просадочных лессовых грунтов обычно характерны: высокая пылеватость (содержание частиц размером 0,05-0,005 мм более 50% при количестве частиц размером менее 0,005 мм, как правило, не более 10-15%); низкие значения числа пластичности (менее 12); низкая плотность скелета грунта (преимущественно менее 1,5 г/см3); повышенная пористость (более 45%); невысокая природная влажность (как правило, менее границы раскатывания); засоленность; светлая окраска (от палевого до охристого цвета); способность в маловлажном состоянии держать вертикальные откосы; цикличность строения толщ. Выделение участков с различными типами грунтовых условий по просадочности в районах распространения просадочных грунтов следует осуществлять в соответствии с требованиями СНИП 2.02.01-83 в зависимости от величины просадки грунтов от собственного веса при их замачивании: 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; Одним из ранних способов борьбы с просадочностью являлся метод термического закрепления лессовых грунтов, при котором через грунт с помощью специальных приспособлений пропускался раскаленный воздух или газы при температуре 300 - 800 градусов.

Среди специфических грунтов особую категорию составляют лессовые просадочные грунты. Вот выноска из свода правил по инженерно - геологическим изысканиям при строительстве: К просадочным грунтам в соответствии с ГОСТ 25100-95 следует относить пылевато-глинистые разновидности дисперсных осадочных минеральных грунтов (чаще всего лессовые 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 лессовых просадочных грунтов представляет собой важную задачу в связи с их распространенностью в южных районах Российской Федерации. Особую важность сведения о лессовых просадочных грунтах представляют для инженеров- строителей, производящих работы на территории Ростовской области и прилегающих районах: Просадочные лессы распространены в южных районах Российской Федерации, где они участвуют в строении толщ лессовых пород, покрывающих обширные пространства. Мощность лессовых толщ изменяется от нескольких метров в северной части зоны их распространения до 50 - 80 м, а местами и более в ее южной части.

Распространение

Лессовые грунты имеют широкое распространение в мире, особенно в Европе и Азии, занимая площадь около 13 млн км2. Почти сплошным покровом лессовые породы лежат на большей части территории юга европейской части России (Нижний Дон, Предкавказье, Заволжье и др.), а также на юге Западной Сибири и в ряде других степных районов.

Значительные площади заняты ими на юге Украины, в восточном Закавказье, в Молдове, Восточной Европе, в Китае, Средней Азии, Монголии и во многих других районах мира.

Лессовые отложения покрывают сплошным плащом обширные плоские водоразделы, их склоны, поверхность высоких террас. В зоне влияния речных долин и морского побережья они прорезаны многочисленными балками и оврагами. Последние имеют резкие формы, особенно в своей верховой части: узкое дно и высокие обрывистые склоны. Высота обрывов достигает 5-6 м., иногда более. На поверхности водоразделов развиты просадочные блюдца и поды. Размер блюдец в плане изменяется от нескольких метров до первых десятков метров, глубина-от долей метра до 1-2 метров. Поды представлены обширными понижениями шириной в сотни метров или километры с глубиной не превышающей первых метров. Дно подов сложено непросадочными тяжелыми суглинками или глинами.

Условия залегания лессовых пород достаточно однообразны. Независимо от гипсометрического положения отдельных положительных форм рельефа, они покрывают плоские водоразделы, их склоны, поверхность высоких террас и т. д.

Внешние признаки

Внешними признаками, отличающими макропористые лессовые грунты, будут следующие: 1. Видимая невооруженным глазом пористость (макро пористость), обусловленная наличием тонких, более или менее вертикальных канальцев иногда с остатками растений. Канальцы, пронизывающие всю толщу лессовидных грунтов, покрыты изнутри налетами углекислых солей.

2. Столбчатая отдельность. Это свойство лессовидных грунтов проявляется особенно ярко на открытых местах, подвергающихся действию атмосферных осадков. В искусственных выемках и свежих разрезах отдельностей не наблюдается.

3. Быстрое размокание в воде и большая водопроницаемость. Так, коэффициент водопроницаемости (фильтрации) лесса для образца ненарушенной структуры был в 100 раз больше коэффициента водопроницаемости для перемятого, лишенного макропор образца того же грунта.

4. Наличие твердых мергелистых включений. Трубчатые пустоты лессовых грунтов в большинстве случаев покрыты тонким слоем извести, кроме того, отдельные известковые и мергелистые включения самой разнообразной формы находятся в лессовых грунтах в довольно значительном количестве. При опробовании этих грунтов 3%-ным раствором соляной кислоты наблюдаются бурное вскипание и быстрое прекращение выделения пузырьков газа.

5. Характерное распределение влажности по глубине с наличием на некотором уровне так называемого «мертвого горизонта» с меньшей по сравнению с вышележащими и нижележащими слоями влажностью. В мертвом горизонте наблюдается максимальное содержание солей. Ниже мертвого горизонта влажность возрастает постепенно, достигая величины максимальной влагоемкости. Отметим также, что, как правило, в толще лессовых пород наблюдаются только два горизонта грунтовых вод: верховодка и нижний горизонт грунтовых вод.

6. Характерный состав. По гранулометрическому составу лессовидные грунты характеризуются преобладанием пылеватых фракций (частиц размером от 0,05 до 0,005 мм обычно более 50%) при незначительном содержании глинистых частиц (от 4 до 20%). Как правило, лессовидные грунты отличаются значительной однородностью гранулометрического состава, причем коэффициент неоднородности часто бывает не более 5.

Состав и строение грунтов

Для просадочных лессовых грунтов обычно характерны: высокая пылеватость (содержание частиц размером 0,05-0,005 мм более 50% при количестве частиц размером менее 0,005 мм, как правило, не более 10-15%); низкие значения числа пластичности (менее 12); низкая плотность скелета грунта (преимущественно менее 1,5 г/см3); повышенная пористость (более 45%); невысокая природная влажность (как правило, менее границы раскатывания); засоленность; светлая окраска (от палевого до охристого цвета); способность в маловлажном состоянии держать вертикальные откосы; цикличность строения толщ.

Главная отличительная особенность лессов - наличие макропор размером 1-3 мм, различимых невооруженным глазом. Макропоры имеют форму извилистых вертикальных канальцев.

Мощные толщи лессовых пород имеют циклическое строение: несколько горизонтов лессов переслаиваются с погребенными почвами и непросадочными лессовыми грунтами (лессовидными суглинками). Последние, в отличие от лессов, имеют более темный бурый или красновато-бурый цвет и нередко отчетливую слоистость. Они более глинисты, характеризуются относительно низкой пористостью (до 40%) и значительно более высокой плотностью (1,8 -1,9 г/см3). Число горизонтов лессов непостоянно (в южных районах территории Российской Федерации в разрезе присутствует от 3 до 6 горизонтов лессов разной мощности). Как правило, просадочность уменьшается сверху вниз по разрезу.

Лессы обладают высокой для глинистых грунтов водопроницаемостью и резкой анизотропией по этому свойству.

Коэффициент фильтрации в вертикальном направлении измеряется несколькими м/сут., в горизонтальном - десятыми или сотыми м/сут. Это приводит к тому, что при инфильтрации воды с поверхности образуются купола грунтовых вод, медленно растекающиеся в стороны. В пределах городов, где имеются многочисленные источники замачивания (утечки из коммуникаций, интенсивный полив водой скверов, садов, парков) в толще лессовых грунтов формируется техногенный горизонт грунтовых вод быстро повышающий свой уровень (до 0,5 - 1 м в год), что способствует интенсивному развитию просадочных явлений. В районах, где лессы обогащены гипсом, формирующиеся грунтовые воды агрессивны по отношению к бетону на портландцементе.

Просадочные грунты следует характеризовать: относительной деформацией просадочности - относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания;

начальной просадочной влажностью - минимальной влажностью, при которой проявляются просадочные свойства грунтов;

начальным просадочным давлением - минимальным давлением, при котором проявляются просадочные свойства грунтов при их замачивании.

При инженерно-геологических изысканиях под свайные фундаменты с опиранием свай на непросадочные грунты (сваи-стойки) и при соответствующей записи в техническом задании допускается не определять указанные специфические свойства просадочных грунтов.

Таблица 5.6. Значения модуля деформации лессовидных суглинков в диапазоне нормативных давлений 0,1-0,3 МПА (по Я.Д. Гильману, 1991)

Степень влажности Sr Модуль деформации Е, МПА, при коэффициенте пористости е, равном

0,56-0,65 0,66-0,75 0,76-0,85 0,86-0,95 0,96-1,05

0,3 50 44 38 30 22

0,4 35 30 25 20 14

0,5 25 21 17 13 8

0,6 18 15 12 9 6

0,7 14 12 9 7 5

0,8 12 10 7 6 4

0,9 10 8 6 5 3

1,0 8 7 5 4 2

Начальное просадочное давление Psl - это давление, при котором относительная просадочность esl = 0,01, т.е. при котором грунт считается просадочным. Если провести серию компрессионных испытаний лессового грунта с замачиванием образцов при различных нагрузках, то нетрудно получить график зависимости относительной просадочности от давления.

Типы просадки

Выделение участков с различными типами грунтовых условий по просадочности в районах распространения просадочных грунтов следует осуществлять в соответствии с требованиями СНИП 2.02.01-83 в зависимости от величины просадки грунтов от собственного веса при их замачивании: 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 величина ее превышает 5 см.

Методы устранения просадочности лессовых грунтов

В связи с широким распространением лессовых пород на территории Алтайского края (до 20% территории) проблема борьбы с просадочностью этих пород в основаниях зданий и инженерных сооружений всегда была актуальной в нашем регионе. Проблема заключается в том, что при промачивании лесса 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. Наиболее распространенным методом, на первом этапе борьбы с просадочностью лессовых оснований, являлся метод механического уплотнения лессовых грунтов тяжелыми трамбовками многократно (до 10 - 16 раз) сбрасываются на уплотняемый участок грунта с высоты 4 - 8 м. Данный метод позволяет уплотнить толщу лессового грунта на глубину до 3,5м. Недостатком данного метода является влияние динамических воздействий, вызванных трамбованием, на близко расположенные здания и сооружения.

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

Ликвидировать просадочные свойства возможно методом предварительного замачивания лессового 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.

Одним из ранних способов борьбы с просадочностью являлся метод термического закрепления лессовых 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 лессового грунта, и он становился непросадочным.

Минусом данного метода являлось значительное химическое «загрязнение» закрепляемых пород, и поэтому в настоящее время он не применяется.

Одним из наиболее эффективных в настоящее время методов устранения просадочности является метод силикатизации лессовых 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. просадка лессовой грунт здание

Лессовые просадочные грунты Западной Сибири

Анализируя инженерно-геологические условия лессовых пород Западной Сибири можно выделить следующие региональные особенности: 1. Мощность лессовых просадочных грунтов изменяется в пределах от 3-4 м до 10-12 м, т.е. она незначительная. Наибольшей мощности эти породы достигают на территории Приобского и Обь-Чумышского плато, Обь-Чумышской аллювиальной равнины. Для Кулундинской низменности и Ненинской равнины мощность просадочных лессовых пород не превышает 3-4 м, в предгорных районах - 5-6 м. Наиболее распространенными грунтами лессовых пород Верхнего Приобья являются суглинки и, реже, супеси.

2. По просадочности исследуемые лессовые породы относятся к I типу и лишь в отдельных случаях локально встречаются лессовые породы II типа. Это имеет место в юго-восточной части озерно-аллювиальной Обь-Чумышской равнины, Приобского плато на территории гг. Барнаула и Новосибирска.

3. Гранулометрический состав лессовых пород юга Западной Сибири характеризуется неоднородностью по вертикали и по площади, наличием линз и прослоек песка.

4. В пределах Верхнего Приобья широко распространены слои погребенных почв мощностью до 2 м, которые можно рассматривать как специфический горизонт грунтов, обладающих сравнительно надежными строительными свойствами.

В последние годы возникли новые проблемы по эксплуатации построенных зданий на лессовых просадочных грунтах. Наиболее значительная из них - подтопление городских территорий. Для зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах это имеет особое значение. Процесс подтопления вызывает резкое снижение прочностных и деформационных характеристик, при этом возникает дополнительная просадка, разрушение канализационных колодцев, деформации дорожных покрытий и т. д. К сожалению, аварийные состояния зданий и сооружений на лессовых грунтах возникают не только за счет подтопления территорий. Существующие методы устройства оснований и фундаментов страдают определенными недостатками. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками является сезонным видом работ. Выполненное осенне-зимнее уплотнение лессовых пород зачастую отличается невысоким качеством и приводит к появлению недопустимых деформаций, изза отсутствия резерва в городской черте, часто оказывается невозможным и диктует необходимость принятия других решений.

С 1991 г. в рамках первого направления проводятся исследования по разработке методики создания уплотненного лессового основания. Уплотненное основание создается механическим трамбованием с использованием трамбовок различной массы.

Для экспериментальных исследований было выбрано несколько опытных площадок размером 9? 9 м и 12? 12 м, ровных, со спокойным рельефом в квартале 2001 г. Барнаула.

Лессовые породы, выбранные нами для исследования, являются покровными отложениями Верхнего Приобья, куда и входит территория г. Барнаула. Эти породы залегают на глубину до 8-12 м. Для них характерна слабоустойчивая к замачиванию микроструктура, в водонасыщенном состоянии деформируемость этих пород возрастает в 2-5 раз, а у подстилающих пород - в 2-3 раза.

В геологическом отношении выбранные площадки, расположенные в непосредственной близости друг от друга, сложены лессовыми суглинками твердыми I типа по просадочности с толщей 6-8 м, с наиболее характерными свойствами грунтов юга Западной Сибири, глубже по разрезу - крупнозернистые и средней крупности пески. Грунтовые воды в пределах выработок (скв. до 20 м) не обнаружены.

Первое уплотнение грунта было проведено на площадке в августе-сентябре 1991 г. Уплотнение проводилось обычной трамбовкой весом 3,2 КН. Трамбовка монтировалась на базе обычного экскаватора системы с драглайном. Методика трамбования была классической - 10-12 ударов по неувлажненному основанию с радиальным перемещением стрелы крана на 45° в каждую сторону, с двукратным циклом и перекрытием последующей на 0,9 диаметра трамбовки.

На уплотненном таким образом грунте были проведены испытания со штампом-фундаментом размером 1000? 1000? 500 (h). Штамп-фундамент был выполнен железобетонным с соответствующим армированием, как и обычный жесткий фундамент. Нагрузка на штамп создавалась металлическими блоками общей массой 47 т.

Анализ результатов показал, что уплотнение грунтов обычной трамбовкой весом 3,2 т необходимого эффекта не дает, грунт уплотняется на глубину не более 0,5 м. Для получения большего эффекта уплотнение грунта производилось тяжелой трамбовкой массой 180 КН.

Тяжелая трамбовка конусообразной формы, заканчивающаяся металлической квадратной плитой 1000? 1000 мм, сбрасывалась с 7-8 м, двигаясь по металлическому направляющему монорельсу.

Уплотнение грунта производилось в 5 проходок. В зависимости от влажности, степени уплотненности требуемого основания варьировалось количество сбрасываний трамбовки от 5 до 25 ударов по одному следу. В результате этого после каждой проходки поверхность котлована понижалась на 25-45 см. Перед каждой следующей проходкой производилось снятие разрыхленного грунта бульдозером.

В результате трамбования площадки тяжелой трамбовкой отметка дна котлована понизилась на 1,4-1,5 м. Мощность трамбуемого слоя составила 5-5,5 м, считая от установившейся поверхности дна котлована.

Особое внимание в полевых экспериментах было уделено определению напряжений в грунтовом основании, которое осуществлялось с помощью датчиков давления (месс доз) конструкции Д.С. Баранова.

Напряжения непосредственно под подошвой штампа замерялись контактными месс дозами.

В результате экспериментальных исследований были построены графики осадок и эпюры нормальных напряжений, возникающих в грунтовом основании.

Полученные результаты дали возможность оценить характер формирования напряженного состояния основания опытных штампов. Так, было проанализировано изменение осевых вертикальных напряжений в массиве грунта при увеличении нагрузки на штамп. Вертикальные осевые напряжения под штампом убывают с глубиной. Наиболее значительные затухания происходят в верхнем, более уплотненном, слое - до глубины 1м вертикальные осевые напряжения уменьшаются на 40-60%. Причем основное падение напряжений происходит до глубины 1,5-2м.

График осадки штампа-фундамента на уплотненном основании представляет собой практически прямую линию, что свидетельствует о том, что в результате уплотнения лессового грунта получено линейно - деформированное основание.

После проведения опытного уплотнения лессового основания тяжелой трамбовкой весом 100 КН были отобраны образцы грунта для проведения лабораторных исследований.

В результате уплотнения значительно повысились такие характеристики грунта как плотность сухого грунта и модуль общей деформации. По сравнению с начальной (1,44 г/см3) плотность сухого грунта возросла на 35% (до 1,95 г/см3) на глубине 0,5-1,0 м, на 10% (1,6 г/см3) на глубине 5 м. На самой поверхности (до 0,5 м) плотность несколько ниже, чем на глубине 1,0 м, изза произошедшего в результате трамбования расслоения грунта верхнего слоя. Но все равно по сравнению с начальной плотностью достигнуто значительное ее повышение (1,85-1,90 г/см3 против 1,44 г/см3).

В верхних слоях уплотненного основания значение модуля общей деформации увеличивается в 2,5-3 раза при естественной влажности, равной 7-8%. На нижней границе уплотненной зоны (5,5 м) модуль общей деформации возрастает в 1,5-2 раза, чем тот же показатель грунта в естественном состоянии до уплотнения.

При водонасыщении модуль общей деформации уплотненного грунта меняется незначительно - в верхних слоях на 1%, а в нижнем слое - в 1,5 раза, тогда как модуль деформации неуплотненного грунта уменьшается в 3-5 раз.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками позволяет создать прочное, устойчивое к водонасыщению, грунтовое основание. Это дает возможность предложить замену свайных фундаментов на фундаменты мелкого заложения на уплотненном лессовом основании. Экономическое сравнение вариантов в рамках одного сооружения на уровне расхода материалов, несомненно в пользу варианта фундаментов мелкого заложения.

В настоящее время (с 1991 г.) проводятся исследования изменения микроструктуры лессовых пород (на примере лессовых грунтов Приобского плато) под влиянием различных механических воздействий.

В ходе проведения экспериментов оценивались в лабораторных условиях микроструктурные изменения грунта под влиянием компрессионного уплотнения и сопротивления сдвигу при естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения грунта. Кроме того, выполнялись микроструктурные исследования лессового грунта, уплотненного обычными и тяжелыми трамбовками, а так же под воздействием штампа-фундамента.

Подготовка образцов грунта для электронно-микроскопических исследований выполняется на приборе ВУП-5 методом вакуумной морозной сушки. Просмотр образцов и получение РЭМ-изображений микроструктуры выполняется на растровом электронном микроскопе при увеличениях от 350 до 5000 раз.

Проведенные микроструктурные исследования грунта под влиянием компрессионного уплотнения позволяют констатировать, что микроструктура под влиянием компрессионного сжатия претерпевает большие изменения. Общая пористость снизилась с 48% до 40%. Исчезли крупные межзерновые и меж микроагрегатные поры, их размер уменьшился по сравнению с исходным образцом с 35 до 20 мкм. Преобладают по количеству тонкие внутримикроагрегатные микропоры изометричной и щелеобразной формы в среднем шириной до 0,2 мкм. Это подтверждается увеличением общего периметра пор в уплотненном образце на 20%, что говорит об увеличении числа мелких внутримикроагрегатных пор. Значительно уменьшились размеры всех категорий пор, и появилась тонкая микропористость. Преимущественно угловатая форма минеральных зерен свидетельствует об интенсивном дроблении твердых компонентов структуры и общем уплотнении грунта. Это объясняется возникновением больших напряжений при сжатии на контактах между минеральными зернами, приводящих к механическому дроблению и раскалыванию твердых структурных элементов. Тип структуры грунта после компрессии не изменился и остался скелетным.

Главный вывод выполненных работ - деформируемость грунта в процессе передачи компрессионной нагрузки обуславливается как сближением структурных элементов между собой, так и их разрушением.

Изменение микроструктуры грунта под воздействием динамического уплотнения проводилось на образцах лессового грунта, отобранных с экспериментальной площадки г. Барнаула после уплотнения тяжелой трамбовкой весом 100 КН. Грунт экспериментальной площадки имеет физико-механические характеристики, характерные для лессовых суглинков юга Западной Сибири с I типом просадочности.

Микроструктура грунта, уплотненного тяжелой трамбовкой повышенного веса, резко меняется. До глубины 3 м микроструктура грунта приобретает признаки скелетно-матричной структуры, характеризующейся более высокой плотностью по сравнению с природной скелетной структурой. Исчезает крупная пористость, а преобладающие мелкие внутриагрегатные поры приобретают щелевидную форму с шириной раскрытия 0,5 -мкм. Наблюдается ориентация структурных элементов в плоскости, перпендикулярной направлению действия ударной нагрузки.

Обнаружилось совершенно новое явление - дробление глобул, агрегатов и их расплющивание. Увеличивается количество мелких элементов, как результат разрушения первичного материала. С увеличением глубины (более 3 м) микроструктура грунта вновь приобретает признаки природной скелетной со значительным уменьшением плотности. По сравнению с природной структурой видно, что глубже 3 м каких-либо значительных ее изменений не происходит.

Основные выводы микроструктурных исследований грунта под воздействием уплотнения трамбовками повышенного веса (100 КН): 1. Уплотнение лессового грунта тяжелыми трамбовками приводит к коренному изменению его микроструктуры. Под влиянием динамического уплотнения идет интенсивное разрушение глобул и агрегатов, их расплющивание, перемещение и сближение основных элементов лессового грунта - песчано-пылеватых частиц и глинистого материала. Формируется новая скелетно-матричная структура, отличающаяся от природной степенью уплотнения, минимальной и относи тельной однородной пористостью, более плотной упаковкой элементарных частиц. Изменения в микроструктуре с глубиной становятся менее заметны и внизу уплотненного слоя структура грунта имеет незначительные отличия от природной.

2. Микроструктурные исследования свидетельствуют о том, что при трамбовании тяжелыми трамбовками в лессовом грунте развиваются 2 процесса: разрушение сложившихся структурных связей и формирование новых. В результате происходит устранение просадочных свойств лессового основания и увеличение его прочностных и деформационных характеристик. Это позволяет рассматривать устройство фундаментов зданий и сооружений на лессовом уплотненном основании как вариант замены дорогостоящих, например свайных, фундаментов.

Учет деформационной анизотропии лессовых грунтов в расчетах основания является одним из важных вопросов, т. к. ее степень и характер в лессовых грунтах проявляется особенно отчетливо. Поставленную задачу можно сформулировать как задачу о совершенствовании методов расчета лессовых грунтовых оснований по предельным состояниям и прогнозировании осадок и просадок жестких фундаментов с учетом анизотропных свойств лессовых грунтов.

В рамках поставленной задачи были проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения существования и выявления степени деформационной анизотропии лессовых грунтов. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили наличие деформационной анизотропии у лессовых грунтовых образцов. Экспериментально установлено, что показатель, оценивающий деформационную анизотропию исследованных грунтов, в среднем равнялся 1,97.

Были получены результаты расчетно-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния лессовых анизотропных оснований. Исследование проведено на ЭВМ методом конечных элементов с применением методики математического планирования эксперимента. Расчетами установлено, что в характерных зонах лессового основания с изменением показателя, оценивающего деформационную анизотропию, происходит существенное изменение горизонтальных и касательных напряжений, что отражается на степени приближения напряженного состояния этих зон к предельному по прочности, влияет на величину расчетного сопротивления грунта и, следовательно, на размеры подошвы фундамента. Разработан практический метод корректировки размеров подошвы фундаментов с учетом деформационной анизотропии лессовых грунтов. Предложен усовершенствованный метод (на базе известного метода послойного суммирования деформаций) определения осадок жестких фундаментов, позволяющих учесть деформационную анизотропию лессового грунта.

Как указывалось, существующие модели осадки грунта носят, в основном, эмпирический характер и, в связи с этим, не отражают в явной форме изменения структуры грунта при его нагружении.

Учет в математических моделях структурных изменений грунта позволяет резко повысить уровень их интерпретируемости и достоверности.

Нами разработан вариант имитационной модели, учитывающей структурно-текстурные особенности лессовых грунтов в условиях сплошного распространения нагрузки.

На первых стадиях нагрузки происходит интенсивное разрушение оболочки частиц, увеличивается количество раздробленных частиц. При этом сокращается объем пор, приходящихся на одну фракцию.

На второй стадии нагрузки дробление частиц замедляется, происходит формирование новой микроструктуры, характеризующейся “слипанием” частиц между собой, их агрегирование, что обуславливает дальнейшее уменьшение объема пор.

Экспериментальные данные по изменению микроструктуры совместно с использованием функции пористости (компрессионных кривых) позволили моделировать осадки грунта в рамках имитационной модели. На этой основе составлен алгоритм модели: осадка лессового грунта определяется в предположении постоянства площади основания образца грунта. Рассчитанные по предложенной модели осадки удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Проведенные исследования позволили составить для лессовых грунтов Западной Сибири таблицу нормативных и расчетных деформационных и прочностных характеристик лессовых грунтов. Таблица применяется проектировщиками при проектировании оснований зданий и сооружений.

Изменения физико-механических характеристик лессовых грунтов г. Барнаула в зависимости от сроков эксплуатации зданий

После статистического обобщения усредненных физико-механических, прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных супесей была составлена таблица их изменений (табл. 1). Проведенные исследования лессовых грунтов (супесей) в основаниях длительно эксплуатируемых зданий г. Барнаула естественной влажности позволили получить эмпирические зависимости с высокими коэффициентами корреляции, что доказывает статистическую связь, близкую к функциональной.

Зависимости изменения характеристик лессовых супесей территории г. Барнаула в зависимости от сроков эксплуатации зданий.

Срок эксплуатации от 0 до 20 лет rt = r0 mr Ч t где: rt - природная плотность грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий - t, (г/см3); r0 - начальная плотность грунта оснований, (г/см3); mr - срок эксплуатации зданий, (года); t - срок эксплуатации, (года). et = e0 - me Ч t, где: et - коэффициент пористости грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий - t, (дол. ед.); e0 - начальный коэффициент пористости грунта оснований, (дол. ед.); ме = 0,004.

Et0,1-0,3 = E00,1-0,3 ME Ч t где: Et0,1-0,3 - модуль деформации грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий - t, (МПА); E00,1-0,3 - начальный модуль деформации грунта оснований, (МПА);

МЕ = 0,125. 4. ct = c0 mc Ч t где: ct - удельное сцепление грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий - t, (МПА); c0 - начальное удельное сцепление грунта оснований, (МПА); МЕ = 0,0002. jt = j0 mj Ч t где jt - угол внутреннего трения грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий - t, (град.); j0 - начальный угол внутреннего трения грунта оснований, (град.); мф = 0,09.

Rt = R0 MR Ч t где: Rt - расчетное сопротивление грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий, (МПА); R0 - начальное расчетное сопротивление грунта оснований, (МПА); MR = 0,004; mr, me, ME, mc, mj, MR коэффициенты, установленные экспериментально и показывающие изменение прочностных и деформационных характеристик грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий.

Зависимости изменений характеристик лессовых супесей г. Барнаула от сроков эксплуатации зданий

Срок эксплуатации более 20 лет (обозначения те же) rt = r0 mr Ч t где mr = 0,003;

et = e0 - me Ч t где ме = 0,00053;

Et0,1-0,3 = E00,1-0,3 ME Ч t где МЕ = 0,057;

ct = c0 mc Ч t где мс = 0,00022;

jt = j0 mj Ч t где mj = 0,0387;

Rt = R0 MR Ч t где MR = 0,0023.

На основании выполненных исследований были сделаны следующие выводы: 1. Срок эксплуатации зданий коренным образом влияет на процесс дальнейшего формирования структуры лессового грунта. До 15 лет эксплуатации зданий происходит интенсивное разрушение агрегатов, уменьшение общей пористости, сближение структурных элементов с общей ориентацией за счет процессов уплотнения. После 20 лет происходит формирование новой более прочной структуры, подтвержденное фундаментальными исследованиями микроструктуры, прочности индивидуальных контактов и процессов разрушения агрегатов. Выявлено, что до 20 лет эксплуатации зданий тип и класс структуры (по А.К. Ларионову) лессового грунта не изменяются (скелетный, зернисто-пленчатый), с формированием новой микроструктуры изменяется ее тип (матричный), но класс остается тем же.

2. Проведенные исследования позволили установить увеличение прочностных и снижение деформационных характеристик в основаниях длительно эксплуатируемых зданий. При этом просадочные грунты оснований естественной влажности становятся непросадочными лишь по достижению определенного срока эксплуатации (более 15 лет). Синерезис (процесс старения) является основной причиной формирования новой структуры лессового грунта за счет уменьшения толщины сульфатных оболочек под действием молекулярных сил притяжения между частицами при 20 годах эксплуатации. С дальнейшим увеличением сроков эксплуатации зданий никаких существенных изменений не происходит.

3. Для лессовых грунтов оснований (супесей) установленные региональные (территория Барнаула) зависимости изменения прочностных и деформационных характеристик от сроков эксплуатации зданий позволяют значительно (до 40%) увеличить нагрузку на существующие фундаменты без их усиления и реконструкции.

4. Зависимости изменения характеристик лессовых грунтов оснований рекомендуются проектным организациям для предварительных, а также окончательных расчетов фундаментов зданий до II класса включительно.

Для экспериментальных исследований была выбрана площадка в г. Барнауле, ограниченная улицами Северо-Западной, 80-й Гвардейской Дивизии, Горно-Алтайской и проспектом им. В.И. Ленина. Исследуемые здания на лессовых просадочных грунтах были выбраны по следующим признакам: 1. Все здания находились в пределах одной экспериментальной площадки в непосредственной близости друг от друга и в идентичных инженерно-геологических условиях.

2. Здания имеют различные сроки эксплуатации, начиная с жилых домов первых массовых серий застройки 50-60-х гг., заканчивая зданием, имеющим десятилетний срок эксплуатации (т.е. от 10 до 40 лет).

3. Все здания являются пятиэтажными жилыми зданиями с наличием подвального помещения, имеют идентичные с серийные конструкции ленточных фундаментов и близкое по величине давление на грунты основания, которое находится в пределах от 0,25 до 0,30 МПА и не превышает расчетного сопротивления грунта.

После статистического обобщения усредненных физико-механических, прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных супесей была составлена таблица их изменений (табл. 1). Проведенные исследования лессовых грунтов (супесей) в основаниях длительно эксплуатируемых зданий г. Барнаула естественной влажности позволили получить эмпирические зависимости с высокими коэффициентами корреляции, что доказывает статистическую связь, близкую к функциональной.

Технический отсчет (состав)

При проведении инженерно-геологических изысканий в районах распространения просадочных грунтов следует устанавливать и отражать в техническом отчете: · распространение и приуроченность просадочных грунтов к определенным геоморфологическим элементам и формам рельефа;

· наличие внешних признаков проявления просадочности грунтов (просадочные блюдца, поды, ложбины и пр.);

· мощность толщи просадочных грунтов и ее изменения по площади;

· цикличность строения толщи просадочных грунтов (чередование горизонтов лессовых пород и погребенных почв, периодичность изменений свойств грунтов по глубине и т.п.);

· особенности структуры (макропористость, пылеватость, агрегированность и пр.) и текстуры (слоистость, трещиноватость, наличие конкреций, скоплений гипса и пр.), интенсивность вскипания от 10%-ной НС1;

· специфические характеристики просадочных грунтов (относительная деформация просадочности и ее зависимость оглавления на грунт, начальное просадочное давление, начальная просадочная влажность);

· гранулометр

1. Свод правил по инженерным изысканиям для строительства.

Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов.

2. Е.В. Пантюшина «Лессовые грунты и инженерные методы устранения их просадочных свойств»

3. Л.В Передельский, О.Е. Приходченко «Инженерная геология»

4. И.В. Носков, И.А. Корнеев «Проектирование лессовых оснований длительно эксплуатируемых зданий и сооружений при их реконструкции»

5. Г.И. Швецов, И.В. Носков «Лессовые просадочные грунты Западной Сибири, их инженерно-геологические, геоэкологические свойства и их изменение под влиянием техногенных воздействий»

Размещено на