Просадочные грунты
Отличительная особенность просадочных грунтов заключается в их способности в напряженном состоянии от собственного веса или внешней нагрузки от фундамента при повышении влажности — замачивании давать дополнительные осадки, называемые просадками.
К просадочным грунтам относятся лессы, лессовидные супеси, суглинки и глины, некоторые виды покровных суглинков и супесей, а также в отдельных случаях мелкие и пылеватые пески с повышенной структурной прочностью, насыпные глинистые грунты, отходы промышленных производств (колосниковая пыль, зола и т. п.), пепловые отложения и др.
Просадочность грунтов обуславливается особенностями процесса формирования и существования толщ этих грунтов, в результате чего они находятся в недоуплотненном состоянии. Недоуплотненное состояние лессового грунта может сохраняться на протяжении всего периода существования толщи, если не произойдет повышения влажности и нагрузки.
В этом случае может произойти дополнительное уплотнение грунта в нижних слоях под действием его собственного веса. Но так как просадка зависит от величины нагрузки, недоуплотненность толщи лессовых грунтов по отношению к внешней нагрузке, превышающей напряжения от собственного веса грунта, сохранится. Возможность последующего уплотнения лессового грунта, находящегося в недоуплотненном состоянии от внешней нагрузки или собственного веса, при повышении влажности определяется соотношением снижения его прочности при увлажнении и величиной действующей нагрузки.
Недоуплотненность грунтов выражается в их низкой степени плотности, характеризующейся объемной массой скелета в пределах обычно 1,2—1,5 т/м3, пористостью 0,6—0,45 и коэффициентом пористости 0,65—1,2. С глубиной степень плотности чаще всего повышается.
Наряду с недоуплотненностью просадочные грунты обычно характеризуются низкой природной влажностью, пылеватым составом, повышенной структурной прочностью. Влажность их в южных засушливых районах обычно составляет всего лишь 0,04— 0,12, степень влажности 0,1—0,3, а в районах Средней полосы, Сибири и др. 0,12—0,20 при степени влажности 0,3—0,6.
Структурная прочность лессовых и др. просадочных грунтов обусловливается в основном цементационным сцеплением. При повышении влажности происходит снижение прочности грунта. Как было установлено Б. В. Дерягиным, тонкие пленки воды могут оказывать расклинивающее действие, которое сказывается одновременно с прониканием воды в толщу грунта. Пленки воды, играя роль смазки, облегчают скольжение частиц и содействуют более плотной их укладке под воздействием давления. Сцепление увлажненного лессового грунта в этом случае будет определяться только влиянием сил молекулярного притяжения, величина которых, как известно, зависит в основном от состава и степени плотности грунта.
Просадка грунта — это сложный физико-химический процесс. Основным его проявлением является уплотнение грунта за счет перемещения и более компактной укладки отдельных частиц и их агрегатов, благодаря чему понижается общая пористость грунта до состояния, соответствующего действующему давлению. В связи с повышением степени плотности грунта после просадки прочностные характеристики его несколько возрастают. При дальнейшем увеличении давления процесс уплотнения лессового грунта в водонасыщенном состоянии продолжается, а вместе с этим увеличивается и его прочность.
Изложенное выше показывает, что необходимыми условиями для проявления просадки грунта являются: а) наличие нагрузки от собственного веса грунта или фундамента, способной при увлажнении преодолевать силы связности грунта; б) достаточное увлажнение, при котором в значительной степени снижается прочность грунта. Под совместным влиянием этих двух факторов и происходит просадка грунта.
Характер протекания деформаций во времени на просадочных грунтах определяется их влажностью. В связи с тем что просадочные грунты обычно находятся в маловлажном состоянии, деформация сжатия их от внешней нагрузки происходит в течение сравнительно короткого времени. Просадка грунта, а в равной степени и осадка в водонасыщенном состоянии, протекают в течение более длительного времени, так как эти процессы связаны с фильтрацией воды через толщу грунта.
Просадочность грунтов и возможность ее проявления оценивается по показателям и критериям просадочности.
Показатели просадочности определяют склонность грунтов к просадкам и представляют собой совокупность характеристик грунтов, от которых зависит их просадочность. Они являются всего лишь номенклатурными признаками и обычно не позволяют с достаточной достоверностью определить количественную величину возможной просадочности грунта.
Одним из основных показателей свойств грунта, характеризующих его недоуплотненное состояние, является показатель просадочности.
Вторым показателем, определяющим склонность лессовых грунтов к просадкам, наряду с недоуплотненным состоянием, является степень влажности. Известно, что с увеличением влажности просадочность уменьшается и недоуплотненные лессовые грунты оказываются практически непросадочными.
Третьим показателем просадочности грунтов является структурная прочность, а вернее, степень ее снижения при увлажнении грунта. Многочисленные исследования показывают, что изменение прочности лессовых грунтов при увлажнении происходит в основном за счет снижения сцепления и частично угла внутреннего трения. Степень снижения прочности лессовых грунтов при увлажнении может служить количественной характеристикой просадочности. Выполненные исследования на лессовидных суглинках показывают, что связь между ними может быть принята линейной.
По результатам испытаний лессовых грунтов статическим зондированием за степень снижения прочности их принимается отношение сопротивления грунта конусу зонда при естественной влажности к сопротивлению того же грунта конусу зонда в водонасыщенном состоянии.
Критерии просадочности связаны с внешними воздействиями, при определенных величинах которых возможно развитие просадки грунтов. Критериями просадочности являются минимальные значения давления и степени повышения влажности, т. е. начальное просадочное давление и начальная просадочная влажность, при которых начинает проявляться просадка грунта.
Критерии просадочности тесно связаны между собой и при комплексном рассмотрении их вместе с относительной просадочностью дают достаточно полную характеристику просадочных грунтов. На основе этого следует считать, что основными характеристиками просадочности грунтов являются: относительная просадочность, начальное просадочное давление, и начальная просадочная влажность.
Относительная просадочность лессовых грунтов определяется, как правило, в компрессионных приборах на образцах ненарушенной структуры путем испытания их методами:
— одной кривой с испытанием одного образца грунта и замачиванием его на конечной ступени нагрузки. Метод позволяет определить сжимаемость грунта при природной или заданной влажности и относительную просадочность при заданном давлении на грунт;
двух кривых, основанном на испытании двух образцов грунта с одинаковой степенью плотности, из которых один испытывается при природной влажности, а другой в водонасыщенном состоянии. Этот метод обеспечивает определение сжимаемости грунта при природной влажности и полном водонасыщении, относительной просадочности в интервале изменения давления от нуля до конечного, начального просадочного давления;
— комбинированным, представляющим собой сочетание методов одной и двух кривых упрощенным, основанным на испытании одного образца грунта и загружении его вначале при природной влажности до давления 0,1 МПа, но менее природного от собственного веса грунта, замачивании грунта при этом давлении и последующем догружении до заданного давления при непрерывном замачиваний. Метод позволяет определить те же характеристики грунта, что и метод двух кривых.
Иногда применяется также упрощенный метод, включающий испытание одного образца грунта при природной влажности до давления 0,2—0,3 МПа с последующим его замачиванием и догружением и экстраполяцией сжатия грунта в водонасыщенном состоянии по логарифмической кривой.
При определении относительной просадочности грунтов в компрессионных приборах по любому методу следует иметь ввиду, что получаемые результаты имеют значительную вариантность вследствие чего отдельные значения даже при испытаниях одного образца могут отличаться в 1,5—3 и даже 5 раз. Столь значительные колебания в значениях могут быть объяснены малыми размерами образцов, некоторой неоднородностью грунта вследствие карбонатных и других включений или, наоборот, наличием пор повышенного размера, неизбежными ошибками при проведении исследований и др. факторами.
Многочисленные исследования показывают, что относительная просадочность зависит в основном от: давления на грунт, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.
Зависимость относительной просадочности от давления на грунт выражается характерной кривой, в соответствии с которой при увеличении давления относительная просадочность вначале возрастает до максимального значения, а затем по мере повышения давления снижается до нуля.
Обычно для лессов, лессовидных супесей и суглинков оно равняется 0,2—0,5 МПа, лессовидных глин 0,4—0,6 МПа. По аналогии вторым порогом просадочности является давление, соответствующее снижению относительной просадочности до нуля. Это давление чаще всего изменяется в пределах 1—2 МПа.
 |
 |
|
Микроструктура лессового грунта СаСО3 – кальцит – вяжущее вещество |
Рн – начальное давление 0 — Рн – лессовый грунт не просадочен –связи прочны |
Зависимость относительной просадочности от давления вызывается тем, что при нагружении просадочного грунта природной влажности при определенной величине нагрузки происходит разрушение его структуры с резким увеличением сжатия без повышения влажности грунта. При этом деформация сжатия образца по мере повышения давления продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто предельно плотное состояние грунта, определяемое составом его минеральной части. В процессе испытания просадочного грунта при полном водонасыщении разрушение его структуры происходит при значительно меньшем давлении на грунт и по мере повышения давления также при определенном его значении достигается предельная степень плотности грунта.
Недоуплотненное состояние просадочных грунтов при повышении степени их плотности снижается и в связи с этим относительная просадочность по мере, повышения объемной массы скелета грунта уменьшается. Аналогичным образом с увеличением природной или исходной влажности грунта относительная просадочность снижается и при степени влажности 0,7—0,8 чаще всего оказывается меньше 0,01.
Ранее считалось, что по мере повышения степени влажности грунта при его замачивании относительная просадочность возрастает и достигает максимального значения при полном водонасыщении грунта.
Относительная просадочность с повышением конечной влажности возрастает до определенного предела, а затем, несмотря на увеличение влажности, снижается. По данным этих исследований максимальная величина относительной просадочности проявляется не при полном водонасыщении, а при некоторой более низкой влажности, при которой создаются наиболее оптимальные условия для уплотнения и проявления просадки грунта. Влажность, при которой достигается наибольшая относительная просадочность по аналогии со стандартным уплотнением, названная оптимальной, оказывается близкой к границе раскатывания.
Зависимость относительной просадочности от состава грунта выражается тем, что с увеличением числа пластичности уменьшается, т. е. наибольшей просадочностью при прочих равных условиях обычно обладают супеси, а меньшей — глины.
Начальное просадочное давление представляет собой минимальное давление от фундамента или собственного веса грунта, при котором начинает проявляться при полном водонасыщении просадка грунта. По своей сущности это давление, нарушающее природную структурную прочность грунта в водонасыщенном состоянии, в результате чего фаза нормального уплотнения переходит в фазу просадки, сопровождающуюся перестройкой структуры грунта и интенсивным уплотнением.
Из определения начального просадочного давления следует, что величина его должна приниматься при значении относительной просадочности, близком к нулю. Однако исследования показали, что за величину начального просадочного давления по результатам компрессионных испытаний целесообразно принимать давление, при котором относительная просадочность равна той же величине, ниже которой грунты считаются непросадочными. Испытания грунтов в лабораторных условиях для определения начального просадочного давления выполняют методами двух кривых, комбинированным или упрощенным.
Величина начального просадочного давления в полевых условиях для случаев, когда напряженное состояние грунта зависит в основном от нагрузки фундаментов, определяется но комбинированному или упрощенному методам. Суть первого метода состоит в том, что на каждом- участке испытания проводят двумя штампами стандартных размеров, установленными на расстоянии 3—4 м один от другого. В первом пункте штамп устанавливают на просадочный грунт естественной влажности, отдельными ступенями загружают до заданного давления на грунт (обычно 0,2—0,3 МПа), после чего грунт в основании штампа замачивают до стабилизации просадки. Во втором пункте грунт предварительно водонасыщается на глубину 0,8—1 м и в дальнейшем штамп нагружают ступенями по 0,025—0,05 МПа до заданной нагрузки с непрерывным замачиванием грунта.
Исследования, выполненные в различных районах России, показали, что на конечной ступени загрузки суммарные осадки и просадки по методам одной и двух кривых практически совпадают. Расхождение между ними обычно не превышает 5—10%.
За начальное просадочное давление принимается минимальное давление, при котором проявляются просадочиые свойства грунта в условиях его полного водонасыщения, соответствующее:
- при лабораторных испытаниях грунтов в компрессионных приборах — давлению, при котором 6пр = 0,01;
- при полевых испытаниях штампами предварительно замоченных грунтов — давлению, равному пределу пропорциональной зависимости на графике «осадка штампа — нагрузка»;
- при замачивании грунтов в опытных котлованах — природному давлению на глубине, начиная с которой происходит просади грунта от его собственного веса.
Показателем просадочности сухих лессовых грунтов является также степень их пористости: менее 40% — непросадочный; 40—45% — слабопросадочный; 45—50% — просадочный; 50—55% — сильно просадочный; более 55% — резко просадочный.
По упрощенному методу испытание просадочного грунта при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии проводят в одном пункте. Вначале штамп нагружают отдельными ступенями по 0,025—0,05 МПа при естественной влажности грунта до давления, близкого к начальному просадочному. Затем при этом давлении лессовый грунт замачивают до полного водонасыщения на глубину не менее 0,8—1 м; после этого продолжается загрузка штампа при непрерывном замачивании до заданной нагрузки.
По результатам испытаний грунтов штампами величина начального просадочного давления определяется по графику зависимости осадки от нагрузки для водонасыщенного состояния и принимается численно равной условному пределу пропорциональности, характеризующему переход фазы нормального уплотнения водонасыщенного грунта в фазу просадки.
Приведенные методики испытаний просадочных лессовых грунтов при минимальном количестве опытов позволяют определить практически все их деформативные характеристики, а именно: модули деформации при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии; величину начального давления; возможную величину просадки штампа при любом давлении по его подошве; степень изменчивости сжимаемости основания при его водонасыщении, а также сопоставить просадки штампа на конечной ступени нагрузки, получаемые по методам одной и двух кривых.
Сопоставление величин начального просадочного давления, определенных по рекомендованным выше методикам, показало, что полевые испытания обычно дают на 10—40% большие значения по сравнению с лабораторными.
Выполненные исследования показали, что величина начального просадочного давления лессовых грунтов изменяется от 0,02 до 0,3 МПа. Обычно же для лессовых грунтов она равняется 0,08—0,12 МПа, а просадка грунта от собственного веса начинается с глубины 5—7 м. В некоторых районах, сложенных лессовидными суглинками повышенной структурной прочности в водонасыщенном состоянии и по своим физико-механическим характеристикам приближающимися к глинам, величина начального давления повышается до 0,15—0,3 МПа, а просадка от собственного веса начинается с глубины 8—15 м.
Наряду с этим для отдельных предгорных районов Северного Кавказа и др. величина начального просадочного давления лессовых грунтов часто снижается до 0,02— 0,06 МПа, т. е. просадка от собственного веса происходит с глубины 1,0—3,5 м. В этих районах распространены лессы и легкие лессовидные суглинки, по своим физико-механическим характеристикам приближающиеся к супесям, имеющие естественную влажность 0,03—0,08, объемную массу скелета 1,18—1,3 т/м3 и низкую структурную прочность.
Начальное просадочное давление, как показали результаты выполненных лабораторных и полевых исследований, зависит в основном от степени плотности и влажности грунта. С увеличением объемной массы скелета и степени влажности грунта начальное просадочное давление возрастает, и эта зависимость по данным испытаний просадочных грунтов штампами площадью 0,5 м2 имеет практически прямолинейный характер.
Начальное, просадочное давление широко используется в практике проектирования и строительства для: назначения расчетного давления на просадочный грунт, при котором просадка его будет отсутствовать; определения величины деформируемой зоны, т. е. зоны, в пределах которой происходит просадка грунта от нагрузки фундаментов; назначения необходимой глубины уплотнения просадочных грунтов или толщины грунтовой подушки, полностью устраняющих просадку от нагрузки фундаментов; определения глубины, начиная с которой происходит просадка грунта от собственного веса на площадках со II типом грунтовых условий; расчета возможных величин просадок фундаментов и грунтов от их собственного веса и во многих других случаях.
Начальная просадочная влажность — это влажность, при которой просадочные лессовые грунты, находящиеся в напряженном состоянии от внешней нагрузки фундаментов или собственного веса грунта, начинают проявлять просадочные свойства.
За критерий при определении величины начальной просадочной влажности в лабораторных условиях по аналогии с начальным просадочным давлением принимается относительная просадочность, равная = 0,01.
Методика определения начальной просадочной влажности в лабораторных условиях основывается на компрессионных испытаниях грунта по методу двух кривых. Из монолита грунта вырезают 4—6 образцов. Один образец грунта испытывают при природной влажности с загрузкой отдельными ступенями до максимального давления, при этом давлении грунт замачивают до стабилизации просадки. Второй образец вначале водонасыщается, а затем при непрерывном замачивании загружается теми же ступенями до максимального давления. Остальные образцы испытывают в компрессионных приборах после предварительного повышения их влажности до величин, разделяющих предел изменения влажности от исходной до полного водонасыщения на более или менее равные интервалы.
Предварительно влажность образцов грунта повышают путем заливки в них расчетного количества воды с последующим выдерживанием их в эксекаторе в течение 1—3 суток для выравнивания влажности или путем пропаривания.
Методика определения начальной просадочной влажности в полевых условиях включает испытание грунтов штампами в 4— 5 пунктах, расположенных на расстоянии 3—5 м друг от друга. В первом пункте грунт испытывают при естественной влажности до заданного давления, во втором — в водонасыщенном состоянии. В других пунктах грунт испытывается после предварительного повышения его влажности медленным насыщением на 0,03—0,06 в пределах толщи глубиной 1 м. В процессе испытаний поверхность грунта защищают от его увлажнения или, наоборот, снижения влажности при возможном подсыхании.
По результатам испытаний штампами просадочных грунтов с различной влажностью строят графики зависимости осадки от нагрузки, на которых для каждой кривой определяется условный предел пропорциональности. Давление, соответствующее условному пределу пропорциональности, представляет собой давление на грунт, при котором начальная просадочная влажность равняется влажности испытываемого грунта. В дальнейшем по полученным значениям начальной просадочной влажности и давления строится график зависимости между ними.
Сопоставление величин начальной просадочной влажности, определенных по рекомендованным выше методикам, показало, что полевые испытания обычно дают значения на 20% больше лабораторных.
Начальная просадочная влажность тесно связана с начальным просадочным давлением. Для каждого давления на грунт величина начальной просадочной влажности соответствует начальному просадочному давлению при влажности, равной начальной просадочной влажности. Обычно применяемое понятие начального просадочного давления для случаев полного водонасыщения лессового грунта обозначает минимальное давление на грунт при максимальном значении начальной просадочной влажности, соответствующей полному водонасыщению.
Величина начальной просадочной влажности для различных видов определяется:
— напряженным состоянием грунта под воздействием внешней нагрузки или собственного веса, которое при соответствующем снижении прочности грунта при его увлажнении способно преодолеть внутреннюю связность и прочность грунта, вызвать нарушение существующей структуры и просадку грунта;
— степенью плотности, характеризующей потенциальную способность его к дополнительному уплотнению при увлажнении;
прочностью структурных связей грунта и степенью ее снижения при увлажнении до определенного состояния.
С увеличением давления на грунт величина начальной просадочной влажности уменьшается, а с уменьшением давления — возрастает. При увеличении объемной массы скелета грунта, а также сопротивления его сдвигу в водонасыщенном состоянии начальная просадочная влажность прямо пропорционально возрастает, т. е. чем выше степень плотности и прочности грунта, тем большая нужна его степень влажности для того, чтобы при заданном давлении началось разрушение существующей структуры грунта и его просадка.
Начальная просадочная влажность в основном используется для определения возможности проявления просадки лессовых грунтов от собственного веса при повышении влажности не до полного водонасыщения, а также зависимости относительной просадочности от степени повышения влажности.
При замачивании маловлажного грунта вследствие местного подъема уровня грунтовых вод происходит общее понижение отметок дневной поверхности земли в пределах обводненной территории.
Деформационными характеристиками просадочных лессовых грунтов являются: модуль деформации, коэффициент сжимаемости, относительное сжатие, коэффициент изменчивости сжимаемости.
Модуль деформации используется для расчета возможных величин осадок фундаментов и их неравномерности и определяется, как правило, в полевых условиях путем испытания грунтов статическими нагрузками с использованием стандартных штампов площадью F=0,5 м2 по изложенной выше методике. При определении модуля деформации по результатам компрессионных испытаний следует иметь в виду, что значения его в этих случаях в зависимости от степени плотности и влажности получаются в 1,5—10 раз меньше.
Модуль деформации просадочных грунтов зависит в основном от влажности, степени плотности, а также от их структурной связности и прочности.
По мере повышения объемной массы скелета грунта модуль деформации возрастает, а с увеличением влажности уменьшается. При повышенной структурной прочности и связности грунтов при прочих равных условиях модуль деформации возрастает. В связи с этим имевшиеся попытки установить зависимость модуля деформации только от степени влажности и плотности для всех видов просадочных грунтов не дали достаточно удовлетворительных результатов. Зависимости модуля деформации просадочных грунтов от степени их влажности и плотности могут быть получены лишь для отдельных регионов и видов грунтов, характеризующихся достаточно однородным составом и одинаковой структурной прочностью.
В связи с тем что модуль деформации просадочных грунтов зависит от влажности, при определении его должна указываться средняя влажность испытываемых грунтов. Одновременно с этим для получения достаточно полной характеристики сжимаемости просадочного грунта модули деформации его должны определяться при различных значениях влажности, но как минимум при двух: наиболее характерной минимальной для исследуемого района или установившейся и при полном водонасыщении.
Коэффициент изменчивости сжимаемости просадочных грунтов а представляет собой отношение характеристик сжимаемости при природной или установившейся влажности и в водонасыщенном состоянии.
Сопоставление коэффициентов изменчивости сжимаемости просадочных грунтов, получаемых по полевым и лабораторным исследованиям, показывает, что они отличаются в пределах всего 0,65—2 раза. Поэтому для практических целей вполне достаточно коэффициенты изменчивости сжимаемости просадочных грунтов определять в лабораторных условиях.
Коэффициент изменчивости сжимаемости просадочных грунтов в основном зависит от давления на грунт, влажности и степени ее повышения при замачивании: при увеличении давления на грунт коэффициент изменчивости возрастает, при повышении природной влажности — снижается и при полном водонасыщении приближается к единице, т. е. сжимаемость водонасыщенного просадочного грунта при последующем замачивании практически не увеличивается. С увеличением степени повышения влажности просадочного грунта при его постепенном замачивании коэффициент изменчивости сжимаемости а возрастает до максимального значения, соответствующего полному водонасыщению грунта.
Прочностными характеристиками просадочных, как и обычных, грунтов являются удельное сцепление и угол внутреннего трения, которые зависят в основном от их степени влажности, структурной прочности и в меньшей мере плотности. С повышением влажности просадочного грунта до полного водонасыщении сцепление снижается в 2—10 раз, угол внутреннего трения в 1,05—1,2 раза. С увеличением структурной прочности прочностные характеристики и, особенно, сцепление возрастают. Так же, как и для обычных грунтов при повышении степени плотности сцепление и угол внутреннего трения возрастают.
В связи с изложенным выше прочностные характеристики просадочных грунтов должны определяться с учетом степени их влажности при, как минимум, двух состояниях: при природной или установившейся влажности, которая будет в процессе строительства и эксплуатации, и в водонасыщенном состоянии. При достаточно большом объеме исследований целесообразно определять показатели для различной степени повышения влажности с тем, чтобы получить зависимости и от влажности в диапазоне ее изменения от природной до полного водонасыщения.
 |
 |
|
В геологическом отчете – эта территория характеровалась просадочными «блюдцами», величина δпр = 0,02 |
Строят эпюры для этого фундамента Pz, PδzПо обычным правилам определения осадок, разделяют всю толщу на слои (h1, h2 …hi), определяют давления в каждом слое (P1 P2 …Pi) – учитывая и собственный вес грунта
По таблицам и графикам δпр = f(p) – из геологического отчета определяют просадку всей сжимаемой толщи, как сумма просадки отдельных слоев. |
Исследования показали, что прочностные характеристики просадочных грунтов естественной структуры в водонасыщенном состоянии в значительной степени зависят от условий проведения испытаний на сдвиг и, в частности, от давления предварительного уплотнения. Анализ результатов исследований позволяет выделить три характерных стадии изменения прочностных характеристик просадочных грунтов.
На I стадии при увеличении давления предварительного уплотнения от нуля до величины, близкой к начальному просадочному давлению, сцепление возрастает, а угол внутреннего трения несколько снижается. Происходит это, по-видимому, от того, что при небольших уплотняющих давлениях и отсутствии просадки естественная структура грунта практически не нарушается и вторичное (цементационное) сцепление сохраняется, а первичное (межмолекулярное) сцепление за счет некоторого увеличения степени плотности и сближения частиц грунта возрастает, что и приводит к увеличению полной величины сцепления. Одновременно с этим некоторое уплотнение грунта на этой стадии приводит к частичному проникновению мелких частиц в крупные поры, поверхности скольжения сглаживаются, что вызывает снижение угла внутреннего трения.
На II стадии при увеличении давления предварительного уплотнения до 0,2—0,25 МПа и соответствующей фазе просадки грунта происходит разрушение существующей структуры грунта. В результате этого резко снижается вторичное сцепление и, несмотря на некоторое повышение первичного сцепления от сближения частиц грунта при его уплотнении, полная величина сцепления уменьшается. С увеличением давления интенсивность снижения сцепления уменьшается. Угол внутреннего трения на этой стадии за счет существенного повышения степени плотности в результате просадки грунта и увеличения количества контактов между частицами грунта возрастает.
На III стадии после проявления просадки и наступления фазы послепросадочного уплотнения происходит незначительное повышение степени плотности вновь сформировавшейся структуры грунта. В связи с дальнейшим уплотнением грунта вторичное сцепление продолжает снижаться, а первичное возрастает. Соотношением их и определяется величина полного сцепления, которая, как правило, оказывается практически постоянной. В то же время угол внутреннего трения на этой стадии за счет некоторого повышения степени плотности и увеличения количества контактов между частицами продолжает возрастать.
С учетом изложенного выше в зависимости от поставленных задач по определению прочностных характеристик просадочных грунтов и условий их работы в основании фундаментов или в массиве грунта испытания на сдвиг в срезных приборах целесообразно выполнять по следующим трем схемам:
1-я схема — медленный сдвиг в условиях завершенной консолидации (с предварительным уплотнением образцов) при природной или установившейся влажности грунта, испытания по которой соответствуют случаям отсутствия замачивания и просадки грунта и используются в основном для расчета оснований при природной влажности.
2-я схема — медленный сдвиг в условиях завершенной консолидации при полном водонасыщении грунта, т. е. в условиях работы грунта после проявления его просадки, результаты определения прочностных характеристик по которой используются для расчета оснований в случаях замачивания грунтов и допущения возможных величин просадок.
3-я схема — быстрый сдвиг в условиях незавершенной консолидации (без предварительного уплотнения образцов) при полном водонасыщении грунта. Испытания по этой схеме соответствуют состоянию процесса просадки грунта и используются для расчета оснований, сложенных просадочными грунтами в процессе их замачивания и просадки.
Полевые крупномасштабные исследования по — замачиванию больших толщ просадочных грунтов при наличии опытных фундаментов, выполненные в различных грунтовых условиях, позволили установить общий характер развития просадок грунта по глубине и выявить частные случаи их проявления.
В общем случае просадки по глубине характеризуются наличием трех характерных зон:
I — деформируемая зона, в пределах которой происходит просадка грунта под совместным действием нагрузки от фундамента и собственного веса грунта. Она распространяется от подошвы фундамента до глубины на которой вертикальные напряжения от нагрузки фундамента и собственного веса грунта. равняются величине начального просадочного давления.
II — пассивная зона, в которой деформации грунта при замачивании практически отсутствуют, так как суммарные напряжения от собственного веса грунта и нагрузки фундамента в ней меньше начального просадочного давления.
III — зона просадки грунта от собственного веса, в пределах которой происходит просадка грунта от его собственного веса . Начинается она с глубины, где вертикальные напряжения от собственного веса грунта равняются начальному просадочному давлению и заканчивается на нижней границе просадочной толщи.
В зависимости от размеров фундаментов, нагрузки на них, толщины слоя просадочного грунта и других факторов из общего случая могут быть выделены пять частных случаев:
а — при небольшой толщине слоя просадочных грунтов зоны II и III могут отсутствовать и просадка фундаментов будет происходить только в деформируемой зоне от совместного действия нагрузки фундаментов и собственного веса грунта;
б — при сравнительно небольших размерах фундаментов и ограниченной толщине слоя просадочных грунтов зона III может отсутствовать и просадка грунта происходит только в деформируемой зоне;
в — при больших размерах фундаментов и нагрузок на них зоны I и III сливаются, в результате чего в пределах всей происходит только от собственного веса грунта.
г — при сравнительно небольшой нагрузке от фундамента или его отсутствия и ограниченной толщине слоя просадочного грунта зоны I и III отсутствуют и просадка грунта при его замачивании не наблюдается;
д — при сравнительно небольшой нагрузке от фундамента или его отсутствии зона I отсутствует и просадка грунта происходит только от собственного веса грунта.
Общий характер просадки грунтов наблюдается в тех случаях, когда фундаменты возводят на естественном основании. При подготовке оснований путем уплотнения просадочных грунтов тяжелыми трамбовками, устройства грунтовых подушек, а также при вытрамбовывании котлованов, снижении давления на грунт до величины начального просадочного давления, закреплении верхнего слоя грунта общий случай деформации грунтов переходит в частные случаи гид. Аналогичным образом при уплотнении просадочных лессовых грунтов предварительным замачиванием общий характер деформации просадочных грунтов переходит в частные случаи а, б, и г, когда полностью исключается возможность просадок в зоне III от собственного веса грунта.
а — просадка от собственного веса ssl,g отсутствует (не превышает 5 см), возможна только просадка от внешней нагрузки ssl,p в верхней зоне просадки hsl,p (I тип грунтовых условий); б, в, г — возможна просадка от собственного веса ssl,g в нижней зоне просадки hsl,g, начиная с глубины zg (II тип грунтовых условий); б — верхняя и нижняя зоны просадки не сливаются, имеется нейтральная зона hn; в — верхняя и нижняя зоны просадки сливаются; г) — просадка от внешней нагрузки отсутствует; 1 — вертикальные напряжения от собственного веса грунта szg; 2 -суммарные вертикальные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта sz = szp + szg; 3 — изменение с глубиной начального просадочного давления psl; Hsl — толщина слоя просадочных грунтов (просадочная толща); d — глубина заложения фундамента
Грунтовые условия строительных площадок, сложенных просадочными грунтами, в зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственного веса подразделяют на два типа:
тип I — просадка происходит в основном в пределе деформируемой зоны основания Snp от нагрузки фундаментов или другой внешней нагрузки, а просадка от собственного веса грунта S практически отсутствует или не превышает 5 см;Тип грунтовых условий по просадочности широко используется при общей оценке условий строительства, выборе противопросадочных мероприятий, расчете и проектировании оснований, фундаментов и самих зданий на просадочных грунтах.
тип II — возможна просадка грунта от собственного веса S происходящая преимущественно в нижней части просадочной толщи и превышающая 5 см, а при наличии внешней нагрузки возможна просадка Snp, происходящая, помимо этого, в верхней части просадочной толщи в пределах деформируемой зоны.
Тип грунтовых условий по просадочности широко используется при общей оценке условий строительства, выборе противопросадочных мероприятий, расчете и проектировании оснований, фундаментов и самих зданий на просадочных грунтах.
Просадки проявляются при повышении влажности грунтов и наличии достаточной нагрузки да, них. В связи с этим характер протекания просадок грунтов во времени в значительной мере определяется особенностями повышения их влажности, видом источника замачивания и. в определенной степени изменением нагрузки на грунт.
Просадка грунта может произойти в любой период строительства и эксплуатации здания или сооружения по мере возникновения замачивания или повышения влажности грунта и проявиться лишь после того, как влажность его повысит начальную просадочную влажность в пределах всей или части увлажненной зоны. При местном аварийном замачивании просадка грунтов в пределах деформируемой зоны от нагрузки фундаментов обычно протекает быстро во времени с интенсивностью 1 — 5 см в сутки и после прекращения замачивания через несколько суток наступает ее стабилизация. В том случае, если первичное замачивание грунтов происходило в пределах лишь части деформируемой зоны или просадочной толщи, то каждое последующее замачивание будет приводить к просадкам грунтов до тех пор, пока не будет увлажнена вся деформируемая зона или просадочная толща. По мере возрастания нагрузки на грунт просадка увеличивается и полная ее стабилизация наступает при достижении максимальной или проектной нагрузки и промачивании всей толщи просадочных грунтов.
При непрерывном интенсивном замачивании сверху развитие просадки грунтов от их собственного веса во времени определяется в основном продвижением вниз фронта увлажнения и формированием увлажненной зоны. В этом случае просадка начинается после того, как фронт увлажнения достигает глубины, с которой начинается просадка грунта от собственного веса и заканчивается после промачивания всей толщи просадочных грунтов и завершения формирования увлажненной зоны. Исследования показывают, что при непрерывном замачивании скорости просадок во времени сначала возрастают до максимальной величины, а затем снижаются. После прекращения замачивания скорости просадок грунтов, как правило, вначале возрастают, что вызывается снижением их влажности и созданием более благоприятных условий для самоуплотнения грунта, а затем стабилизируются.
Развитие просадок грунтов во времени при подъеме уровня грунтовых вод связано с интенсивностью повышения уровня грунтовых вод, относительной просадочностью нижних слоев грунтов. Стабилизация уплотнения грунта в этом случае проходит в течение длительного времени и связана с оттоком свободной воды из пор грунта, скелет которого находится во взвешенном состоянии. При возможном последующем снижении уровня грунтовых вод снимается взвешивающее действие воды, увеличивается нагрузка на грунт до бытовой и начинается повторная просадка грунта.
Так, например, при интенсивном замачивании на площадке очистных сооружений произошел подъем уровня грунтовых вод на высоту 14—16 м. Испытание водонасыщенного лессового грунта штампами площадью 0,5 м2 показало, что осадки их при нагрузке 0,1 и 0,2 МПа равнялись 62 и 180 мм, а после снижения уровня грунтовых вод на 2 м возросли соответственно на 42 и 50 мм. В данном случае основными причинами появления дополнительных осадок штампов являются снижение влажности грунтов, взвешивающего действия воды и возникновение грунта благоприятных условий для уплотнения.
При длительном интенсивном замачивании просадка грунта от собственного веса во времени имеет характерный вид. В связи с тем что природа просадочности грунта связана со снижением прочности его при замачивании и полным или частичным растворением солей, многие специалисты, занимающиеся ирригационным и гидротехническим строительством, подразделяют просадочную деформацию на два вида: просадку и послепросадочное уплотнение.
При этом к просадке грунта относят сравнительно быстро протекающую в течение 1—3 месяцев первую часть просадочного процесса и связывают ее со снижением структурной прочности грунта, а к послепросадочному уплотнению — дальнейшее просадочное уплотнение грунта и связывают его с суффозионными процессами (растворением солей) и консолидацией грунта. Следует отметить, что такое представление развития просадки грунта от собственного веса во времени достаточно условное, как и существующие предложения по установлению граница между просадкой и послепросадочным уплотнением. С учетом происходящих при замачивании грунтов физико-химических процессов более правильно просадку грунтов во времени рассматривать как реологический процесс их уплотнения, связанный с нарастанием пластических деформаций во времени при постоянной нагрузке и влажности.
Наблюдения показывают, что просадка грунта от собственного веса даже при интенсивном непрерывном замачивании сверху происходит в течение длительного времени и полное затухание ее наступает лишь через 1—3 года после начала замачивания. Определение величины стабилизированной просадки грунта аналитическим путем с учетом происходящих при этом реологических процессов представляет собой весьма сложную задачу.