Вернуться на страницу «Основания фундаментов»
В большинстве случаев лессовые грунты образовались вследствие переноса ветром мелких минеральных частиц и откладывания их в засушливых степных районах. Поэтому у них достаточно однородный гранулометрический состав и содержат преимущественно пылеватые (0,05 … 0,005 мм) частицы (более 50% по массе) и небольшое количество песчаных частиц размером > 0,25 мм и частиц глинистой фракции (не более 16% по массе). В лессовых почвах в зависимости от происхождения может находиться 0,7 … 2,5% гумуса. По гранулометрическому составу эти грунты могут быть отнесены к супесям, суглинкам и глинам.
Плотность лессового грунта природного строения составляет ρ = 1,15 … 2,05 г / см3; плотность твердых частиц — ρs = 2,54 … 2,84 г / см3; плотность сухого грунта (скелета) — ρd = 1,12 … 1,79 г / см3. Естественная влажность лёссовых почв невысокая и, как правило, находится в пределах от W = 3 … 5% до 20 … 25%, коэффициент водонасыщенности я Sr ≤ 0,8.
Лессовые грунты в естественном состоянии имеют пористость np = 30 … 65% и коэффициент пористости e = 0,6 … 1,05. Высокая пористость свидетельствует о том, что эти грунты по природе недоуплотненные. Лессовые грунты относят к категории макропористих, то есть к таким, которые имеют видимые невооруженным глазом крупные поры (в количестве 2 … 6% объема почвы), диаметр которых в десятки и сотни раз превышает размеры твердых частиц. Макропоры имеют преимущественно вертикальное направление, а их стенки покрыты водорастворимыми отложениями карбонатов и гидроокисей железа.
Макропористость создает достаточно высокую водопроницаемость лессовых грунтов, которая изменяется в широких пределах: коэффициент фильтрации этих почв kf = 0,001 … 8,5 м / сутки. Вертикальное направление макропор приводит к увеличению коэффициента фильтрации в вертикальном направлении в 1,5 … 15 раз по сравнению с горизонтальным. Высота капиллярного поднятия достигает 4 м. В целом высокая водопроницаемость обеспечивает быстрое (и на большую глубину) увлажнение лессовых грунтов. Однако по мере замачивания коэффициент фильтрации резко уменьшается.
Несмотря на высокую пористость, лессовые грунты в естественном состоянии могут иметь сравнительно небольшую сжимаемость и достаточно высокую как для дисперсных грунтов прочность. Модуль общей деформации лессовых грунтов может достигать 30 МПа и более, но значительно (до 2 МПа) уменьшается с увеличением влажности. Наглядное представление о прочности лессовых грунтов дают вертикальные откосы высотой до 30 … 40 м, которые могут стоять годами и десятилетиями, не теряя устойчивости. В зависимости от степени водонасыщенности и плотности строения прочностные показатели лессовых грунтов могут меняться: угол внутреннего трения — от φ = 18 до 250, удельное сцепление — от c = 0,012 до 0,065 МПа. При замачивании лессовые почвы быстро размокают.
Высокая прочность лессовых грунтов в естественном состоянии и высокая способность размокать объясняются их высокой карбонатностью и содержанием водорастворимых соединений (извести, гипса, хлористого натрия и др.), которые образуют достаточно прочные кристаллизационно-цементационные структурные связи.
При замачивании, в нагруженных лессовых грунтах часть жестких структурных связей ослабляется, а часть — полностью исчезает. Действующие на грунт нагрузки разрушают связи и сдвигают (перемещает) твердые частицы относительно друг друга, вынуждая их к более компактному расположению (рис. 1).
Рисунок 1 — Схема проседания лессового грунта при замачивании
а — взаимное расположение твердых минеральных частиц до замачивания; б — то же, после замачивания; 1 — твердые минеральные частицы; 2 — цементирующие солевые связи
Кроме того, к разрушению структурных связей приводит и расклинивающее действие пленочной воды, образующейся при замачивании грунта и сорбирующаяся вокруг поверхностно активных к взаимодействию с водой (то есть гидрофильных) глинистых и пылевидных частиц, одновременно выполняя функцию смазки между ними . В результате указанных процессов наблюдается резкое уменьшение объема грунта, что приводит к резкому, провального характера, опусканию дневной поверхности земли и возведенных на ней зданий и сооружений. Известны случаи, когда после замачивания сравнительно небольшой толщи лессовых грунтов, поверхность почвы проседала до 2,5 м. Следует заметить, что в зависимости от скорости ослабления и исчезновения жестких связей уменьшения объема грунта может происходить и не мгновенно после его замачивания, а в течение определенного времени.
Итак, лессовым грунтам присуща способность проседать –это их свойство, под совместным действием внешней нагрузки и собственного веса или только собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью, испытывать дополнительную вертикальную деформацию — проседание.
Способность проседать зависит от состава почвы, ее структуры и напряженного состояния. Ее оценивают относительной деформацией проседания, которую можно определить по данным компрессионных испытаний образцов грунта ненарушенной структуры с подачей воды или другой жидкости в одометр при ожидаемом давлении p. По результатам испытаний строят график зависимости высоты образца от давления при замачивании.
Рисунок 2 — с лессового грунта при замачивании:а — изменение высоты (компрессионная кривая) б — изменение относительных просадок.
Как видно, компрессионная кривая для просадочных грунтов имеет очень характерную форму, которая отличается от обычных компрессионных кривых тем, что в процессе возникающего при определенном давлении проседания высота исследуемого образца грунта, следовательно, и его пористость, скачкообразно меняется, и плавность компрессионной кривой испытывает разрыв. На компрессионной кривой можно различить три области деформирования: область AB, соответствует сжатия грунта ненарушенной структуры; область BC, характеризует проседание грунта, и область CD — уплотнение и просев грунта с нарушенными структурными связями. При этом наибольшие деформации происходят во второй области — области проседания. По компрессионной кривой находят относительную деформацию просадки при определенном давлении.
Если провести в компрессионных приборах серию испытаний лессового грунта с его замачиванием до полного водонасыщения (W = Wsat = const) при различных нагрузках, то можно получить график зависимости относительной просадки εsl от давления p (рис. 2, б).
Такой график позволяет оценивать начальное давление просадки psl — минимальное давление от совместного действия внешней нагрузки и собственного веса грунта или только собственного веса грунта, при котором проявляются просадочные свойства грунта при его полном водонасыщении. Согласно нормативным документам,за начальное давление просадки принимают давление, при котором εsl = 0,01. Аналогичными исследованиями установлено что, если при фиксированном давлении p (p = const) изменять степень водонасыщения лессового грунта, можно получить начальную влажность проседания Wsl— минимальную влажность, при которой грунт, находящийся в напряженном состоянии от совместного действия внешней нагрузки и собственного веса грунта или только собственной веса грунта, при которой грунт начинает проседать. На практике принимают значения Wsl, при котором εsl = 0,01 (рис.2, б).
Физико-механические характеристики лессовых грунтов при замачивании в процессе проседания резко меняются. Так, их модуль общей деформации уменьшается в 6 … 8 раз; угол внутреннего трения — в 1,5 … 2 раза; удельное сцепление — до 10 раз, что приводит к значительному увеличению сжимаемости и уменьшение несущей способности замоченных оснований и может привести к вытеснению масс грунта нарушенной структуры под нагрузкой.
Возведение зданий и сооружений на лессовых грунтах возможно только после выполнения определенных в каждом конкретном случае специальных мер.
