Просадочные свойства

Трудность строительства сооружений на лессовых просадочных грунтах состоит в том, что после окончания строительства, когда осадка фундаментов стабилизируется, или после ряда лет эксплуатации сооружения при обводнении грунтов в основании происходят большие и часто неравномерные деформации, называемые просадками. В отдельных случаях просадки достигают 0,5-1,0 м и более. При этом здания и сооружения испытывают чрезмерные деформации, в результате чего разрушаются конструкции и сооружения становятся непригодными к эксплуатации.

Наиболее характерным свойством лессовых грунтов, которое следует учитывать при проектировании и строительстве на них, является просадочность. Под просадочностью следует понимать свойство грунта, находящегося в напряженном состоянии от действия собственного веса или внешней нагрузки, проявлять дополнительные деформации при увлажнении. Указанные деформации обусловлены коренным изменением структуры грунта при его замачивании.

Просадки лессовых грунтов возникают при одновременном воздействии двух факторов: нагрузок от сооружений и собственного веса грунтовой просадочной толщи и замачивания при подъеме горизонта подземных вод или за счет внешних источников (атмосферные осадки, промышленные сбросы, утечки и т.п.).

В условиях естественного залегания лессовые грунты обычно имеют влажность 0,08-0,16 при степени влажности s_r < 0,5 и проявляют просадочные свойства только при достижении влажностью некоторого предела w_sl, называемого начальной просадочной влажностью. Просадочность грунтов оценивается показателем просадочности П:

, (2.1)

где e – коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности;

e_L - коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести w_L и определяемый по формуле

, (2.2)

где ρ_s и ρ_w – соответственно плотности тверды х частиц и воды.

К просадочным относятся лессы и лессовидные грунты, для которых при числе пластичности 0,01 ≤ I_p < 0,10; 0,10 ≤ I_p < 0,14; 0,14 ≤ I_p < 0,22 показатель просадочности П соответственно меньше 0,10; 0,17 и 0,24. Следует отметить, что показатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь определяет склонность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадочности грунта.

Одним из важнейших показателей механических свойств грунтов являются их силы сцепления, сложная природа которых определяется их внутренними связями: молекулярно-контактными, цементационными, структурно-коллоидными и др.

При действии нагрузки от фундамента в грунте возникают два противоположных процесса: процесс уплотнения и упрочения и процесс релаксации внутренних связей – снижение величины структурного и цементационного сцепления. В зависимости от того, какой процесс преобладает, в грунте наблюдаются деформации упрочения или деформации незатухающего пластического течения.

Как следует из рис.1, при значительных давлениях на лессовый грунт природной влажности происходит его существенное уплотнение (кривая 1). Дополнительное замачивание обжатых большим давлением образцов грунта не приводит к проявлению просадочной деформации. При обжатии таким же давлением водонасыщенного грунта (кривая 2) коэффициент пористости е_п,р = e_sat,p (точка d). Давление p_lim именуется давлением предельного доуплотнения. Из сравнения кривых видно, что уменьшение коэффициента пористости грунта при замачивании под нагрузкой p ₁ от е_{п,р 1}до е_{п,р 2} соответствует такое же изменение коэффициента пористости при кривой «сухой компрессии» при изменении давления от p ₁ до p ₂. Приращение вертикального давления на образец p ₂ - p ₁ может быть названо давлением доуплотнения.

 

Рис. 1. Кривые компрессионные испытания лессового грунта

1- маловлажного; 2- водонасыщенного; 3- линия экстраполяции участка графика при нормальном уплотнении грунтов

 

По результатам компрессионных испытаний определяется важная количественная характеристика – относительная просадочность ε_sl,i, которая существенно влияет на общее значение деформации просадочной толщи. Относительная просадочность грунта представляет собой относительное сжатие грунта при заданных давлениях и степени повышения влажности и определяется по формуле

, (2.3)

где h_n,p и h_sat,p - высота образца соответственно природной влажности и после его полного водонасыщения (w = w_sat) при давлении р, равном вертикальному напряжению на рассматриваемой глубине от внешней нагрузки σ_zp и собственного веса водонасыщенного грунта ;

h_n,g - высота того же образца природной влажности при давлении р = σ_zg.

В практике лабораторных испытаний и изыскательских работ часто определяют относительную просадочность ε_sl. По результатам лабораторных определений строят графики зависимости относительной просадочности от вертикального давления. Грунт считается просадочным при условии ε_sl > 0,01. Относительная просадочность зависит от давления, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.

Как показывают многочисленные исследования отечественных и зарубежных специалистов, с возрастанием вертикальной нагрузки на образец грунта его относительная просадочность увеличивается по сложному закону. Отдельные исследователи вводят определенные упрощения при аппроксимации зависимостей ε_sl от давления р. Так при давлении р ≤ 0,4 МПа эта зависимость аппроксимируется функцией вида

, (2.4)

где β и m – коэффициенты, определяемые опытным путем по результатам лабораторных испытаний образцов грунта.

Н.А.Цытович, рассматривая особенности деформирования структурно-неустойчивых грунтов, рекомендует зависимость

, (2.5)

где а ₀, а ₁ и а ₂ – соответственно коэффициенты просадки, относительной сжимаемости и упрочения грунта;

т – параметр нелинейности, определяемый опытным путем;

р_l – давление, соответствующее линейной части уравнения.

При сравнительно невысоких вертикальных давлениях до 0,20-0,25 МПа зависимость относительной просадочности от вертикального давления (напряжения) на образец грунта можно выразить в виде полной линейной функции по формуле

, (2.6)

где а_о и а₁ - соответственно коэффициенты просадки, относительной сжимаемости грунта и определяются согласно зависимостям:

_; (2.7)

_; (2.8)

, (2.9)

где п - число парных значений ε_sl и р_i.

На основе анализа обширных литературных сведений, фондовых материалов и собственных опытов Я.Д.Гильман и В.В.Лагутин предложили аппроксимировать зависимость в широком диапазоне давлений степенно-показательной функцией вида

, (2.10)

где a, b и c – коэффициенты, которые находятся по результатам определений ε_{sl, 1}, ε_{sl, 2} и ε_{sl, 3} при трех значениях вертикального давления р ₁, р ₂ и р ₃ по формулам

; (2.11)

; (2.12)

. (2.13)

Поскольку при оценке просадочных деформаций существует количественная характеристика ε_sl = 0,01, а с повышением вертикального давления на образец наблюдается тенденция к ее росту, то вполне очевидным является наличие определенного начального просадочного давления p_sl. Лишь при условии p = p_sl начинают проявляться просадочные деформации и значение ε_sl = 0,01. Таким образом, за начальное просадочное давление, следует принимать такое давление, при котором относительная просадочность ε_sl = 0,01 и грунт может считаться просадочным.

Значения просадочного давления колеблются в зависимости от влажности и пористости лессовых грунтов: Душанбе – 0,01-0,03; Грозный – 0,04-0,07; Запорожье – 0,07-0,09; Никополь – 0,10-0,12; Ростовская область – 0,04-0,15 МПа.