Состав и основные характеристики лессовых грунтов

Лессовые грунты являются наиболее распространенными разновидностями континентальных четвертичных отложений. Они покрывают большие территории, встречаясь практически на всех континентах. Лессовые грунты служат основанием фундаментов на Украине, в Молдавии, Белоруссии, Закавказье, Средней Азии, Нечерноземной зоне России, Западной Сибири, на Северном Кавказе и др. регионах. Значительное распространение лессовых грунтов в Западной Европе – Румыния, Венгрия, Болгария, Чехия, Словакия, Германия, Франция, Австрия и др. В Северной Африке лессовые грунты наиболее часто встречаются в Алжире, Марокко, а на Азиатском континенте – в Китае, Афганистане. Большие территории представлены отложениями лессовых грунтов в Северной и Южной Америке (в США – штаты Канзас, Иллинойс, Айова, Миннесота, бассейны рек Миссури, Миссисипи; в Канаде, Аргентине, Бразилии, Уругвае). Распространены лессовые грунты и на Австралийском континенте.

Инженерно-геологические изыскания в районах распространения лессовых просадочных грунтов должны производиться в соответствии с требованиями к изысканиям, установленными СНиП по инженерным изысканиям, проектированию соответствующими документами по проектированию зданий и сооружений, а также дополнительных требований с учетом специфических особенностей просадочных грунтов. Согласно СНиП 2.02.03-83^* следует выделить два типа лессовых просадочных грунтов (I и II типы).

Лессовые грунты по гранулометрическому составу содержат более 50% пылеватых (0,05 … 0,005 мм) частиц, легко- и среднерастворимые соли и карбонаты кальция, однородные, преимущественно макропористые; в маловлажном состоянии способны держать вертикальный откос; при замачивании маловлажный лессовый грунт дает просадку, легко размокает и размывается, а при полном водонасыщении может переходить в плывунное состояние.

По литологическому состоянию лессовые отложения представлены в основном суглинками, реже – супесями, глинами. Согласно современным представлениям в лессовых грунтах имеются различные по степени растворимости соли. Лессовые грунты имеют ряд внешних признаков, отличающих их от других более прочных и устойчивых пылевато-глинистых грунтов. Их можно выделить по окраске от светло-палевого до темно-бурого цвета. Суммарная пористость может достигать 60%. Непросадочные разновидности лессовых грунтов в преобладающем числе случаев имеют пористость менее 40%. Лессовые грунты по значению коэффициента пористости делятся на два вида:

- высокопористые, при е > 0,8;

- низкопористые, при е <0,8.

Структурно-текстурная особенность лессовых грунтов предопределяет их механическую и фильтрационную анизотропность, в частности, повышенную водопроницаемость в вертикальном направлении по сравнению с горизонтальным.

Многочисленные наблюдения за существующими зданиями и сооружениями, а также экспериментальные исследования показывают, что при плотности в сухом состоянии ρ ≥ 1,6 т/м³ лессовый грунт является практически непросадочным. При среднем значении плотности частиц грунта ρ = 2,72 т/м³ это соответствует пористости 41,2%. Поэтому при искусственном уплотнении лессового просадочного грунта стараются довести его до плотности в сухом состоянии ρ = 1,6 т/м³ и более.

Влажность w лессовых грунтов колеблется в широком диапазоне: в засушливых районах она составляет 3 – 6, в районах с умеренным климатом – 15 – 20%. Следует отметить, что на значение влажности лессового грунта оказывает существенное влияние глубина его залегания, наличие подземных вод и водонепроницаемость подстилающих пород.

Учитывая, что влажность лессовых грунтов оказывает существенное влияние на их прочностные и деформационные свойства, рассмотрим вопрос о прогнозе влажностного режима в грунтовом основании зданий и сооружений.

Согласно действующим нормам возможные изменения уровня подземных вод на площадке строительства должны оцениваться при инженерных изысканиях для зданий и сооружений I и II классов соответственно на срок 25 и 15 лет с учетом естественных сезонных и многолетних колебаний этого уровня, а также степени потенциальной подтопляемости территории. При проектировании зданий и сооружений III класса можно такую оценку не делать. Прогноз возможных сезонных и многолетних колебаний уровня подземных вод осуществляется на основе данных многолетних наблюдений и разовых замеров уровня подземных вод при инженерных изысканиях на площадке строительства.

При застройке крупных микрорайонов и возведении ответственных сооружений выполняется количественный прогноз изменения уровня подземных вод с учетом техногенных факторов(характера прокладки водонесущих коммуникаций, особенностей технологии производства, конструктивного решения объектов строительства и т.п.). При проектировании зданий и сооружений обычно выделяют три возможных расчетных случая по вероятности замачивания грунтов основания.

Первый случай – природная влажность грунта w не превышает его влажности на границе раскатывания w_р (w < w_р). В период эксплуатации зданий, не оборудованных водонесущими коммуникациями и не имеющих мокрого технологического процесса, исключается интенсивное замачивание поверхностными и подземными водами. Примером таких объектов являются неотапливаемые складские помещения, здания трансформаторных подстанций и др. В этом случае считается, что со временем, в период эксплуатации, влажность грунта возрастает в пределах площадки застройки до w < w_р.

Второй случай – природная влажность грунта основания достаточно велика и выше, чем на границе раскатывания (w > w_р). Если дальнейший рост влажности грунта исключается или возможно лишь кратковременное увлажнение в ограниченном объеме, то ее расчетное для последующего проектирования принимается по фактически установленной в период изысканий.

Третий случай – в процессе эксплуатации зданий и сооружений неизбежно замачивание лессового грунта почти до полного водонасыщения (степень влажности s_r = 0,9-1,0). Многолетние наблюдения показывают, что с течением времени происходит замачивание лессовых грунтов даже под зданиями и сооружениями, не оборудованных водонесущими коммуникациями – через неисправные отмостки, из-за подъема уровня грунтовых вод, растекания воды в основании из расположенных вблизи объектов с мокрыми технологическими процессами (бань, прачечных, градирен и т.п.).

В современных городах с достаточно плотной застройкой и развитой промышленностью имеется тенденция к подъему уровня подземных вод, формированию отдельных горизонтов верховодки и образованию куполов воды в местах значительных утечек. Даже при регламентированных утечках из водонесущих коммуникаций количество поступающей в грунт воды достигает значительных цифр. Наибольший объем воды поступает в грунт из водопроводных и канализационных сетей, системы теплоснабжения. В качестве примера приводятся следующие данные: от общего количества поступающей в грунт воды попадает примерно из труб сданного в эксплуатацию нового водопровода 15-18%, из водопровода, эксплуатируемого менее 50 лет – 18-30%, более 50 лет – 30-50%.

Изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что при проектировании промышленных и гражданских зданий и сооружений в преобладающем числе случаев следует исходить из экстремальных условий, связанных с неизбежным замачиванием грунтов основания.