Лессовые грунты

    Рис. 5.19. Зависимость относительной просадочности от нормального давления лессового суглинка Георгиевска (1) и Ростова-на-Дону (2) (по Я.Д. Гильману, 1991): Δ — метод одной кривой; х — метод двух кривых

    За начальную  просадочную влажность ω_sl по аналогии принимается влажность, при которой в условиях заданных давлений e_sl = 0,01. 
Ее значения зависят от напряженного состояния грунта, природной плотности и прочности структурных связей. С увеличением давления на грунт начальная просадочная влажность уменьшается.

    Значения  модуля общей деформации лессового грунта изменяются в широком интервале. Это обусловлено тем, что они существенно зависят от исходной влажности и пористости грунта. В качестве примера в табл. 5.6 приведены систематизированные значения модуля деформации лессовых суглинков Ростовской области. Данными табл. 5.6 можно воспользоваться в том случае, когда отсутствуют результаты штамповых испытаний грунта с учетом прогнозируемой его влажности.

    Таблица 5.6. Значения модуля деформации лессовидных суглинков в диапазоне нормативных давлений 0,1—0,3 МПа

    Просадка  как деформация зависит (рис. 5.20) от минералогического и гранулометрического составов грунта, его влажности, плотности и напряженного состояния, поэтому для каждого лессового грунта определяют просадочность при давлениях, которые он будет испытывать в основании под сооружением.

    Рис. 5.20. График зависимости относительной просадочности от I_p, е и S_r: а — от числа пластичности; б — от коэффициента пористости; в — от степени влажности

    Номенклатурные  показатели и критерии просадочности грунтов

    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.  

    Относительная просадочность

    Относительная просадочность представляет собой отношение изменения толщины слоя грунта при его замачивании под заданным давлением к его первоначальной толщине в природном залегании.  
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. Давление на грунт, при котором относительная просадочность достигает максимальной величины, М. Н. Гольдштейн  называет первым порогом просадочности. 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.

    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. Однако выполненные НИИОСП  в последнее время исследования показали, что 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.

    Просадки  грунтов от нагрузки фундаментов

    Исследования  особенностей и закономерностей  развития просадок грунтов от нагрузки фундаментов показали, что они  происходят только в пределах деформируемой  зоны  и на участках замачивания или повышения влажности грунтов. Появление дополнительных осадок ленточных или плитных фундаментов за пределами увлажненной зоны вызывается только дополнительным обжатием грунта основания за счет перераспределения реактивных давлений при изгибе конструкций. 
Просадки грунтов от нагрузки фундаментов, так же как и от собственного веса, проявляются только в тех случаях, когда суммарные напряжения в грунте превышают величину начального просадочного давления, а повышение влажности — начальную просадочную влажность. При сумме давлений на грунт от нагрузки фундамента и собственного веса грунта, меньшей величины начального просадочного давления, а в равной мере и при недостаточной степени повышения влажности — просадки фундаментов отсутствуют. 
Просадка грунта от нагрузки фундамента сопровождается уплотнением и перемещением отдельных частиц грунта и их агрегатов в вертикальном и горизонтальном направлениях в пределах деформируемой зоны, причем преобладает уплотнение грунта в вертикальном направлении. 
При замачивании просадочного грунта под подошвой фундамента снижается модуль деформации увлажненного грунта и основание может рассматриваться как двухслойное с концентрацией вертикальных напряжений в верхнем увлажненном слое. 
Величина и характер развития просадок грунта от нагрузки фундамента зависят в основном от степени повышения влажности грунта и размеров увлажненной зоны. Неравномерность просадки фундамента вызывается изменением просадочных свойств грунтов, и, главным образом, различными глубинами увлажнения и степенью повышения влажности в пределах увлажненной зоны. 
Характер протекания просадки грунта от нагрузки фундаментов во времени аналогичен уплотнению водонасыщенных глинистых грунтов с большим коэффициентом фильтрации при быстром приложении нагрузки. В первый период замачивания, когда коэффициент .фильтрации грунта сравнительно высокий, просадка протекает быстро. Затем по мере уплотнения и уменьшения коэффициента фильтрации при сохранении размеров увлажненной зоны скорость просадки затухает и наступает ее стабилизация. При повторном замачивании, т. е. при увеличении размеров увлажненной зоны, просадка вновь возрастает до тех пор, пока не будет замочена вся деформируемая зона и не наступит полная стабилизация просадки. 

    Просадки  грунтов от собственного веса

    Просадки  поверхности грунтов от собственного веса при замачивании их сверху характеризуются: вертикальными перемещениями, называемыми  просадками; наклоном; кривизной поверхности  и горизонтальными перемещениями, т. е. практически теми же видами деформаций, что и при горных выработках. 
Величина просадки поверхности грунта от собственного веса в средней части замачиваемой площади вследствие возникающих сил трения и сцепления между увлажненной зоной и окружающим ее неувлажненным массивом грунта в значительной мере зависит от ширины замачиваемой площади. При недостаточных размерах ширины замачиваемой площади даже при обильном увлажнении грунта на глубину, превышающую границу, с которой происходит просадка грунта от собственного веса, последняя часто отсутствует. Это означает, что для возникновения просадки грунта от собственного веса для каждого вида грунта необходимы определенные размеры замачиваемой площади или увлажненной зоны. Одновременно с этим полная просадка грунта начинает проявляться только при определенных размерах источников замачивания.

    Горизонтальные  перемещения грунтов  при просадках  от собственного веса

    Выполненные в разное время исследования позволили  установить, что горизонтальные перемещения  поверхности грунта — это следствие  неравномерных вертикальных перемещении — просадок и изменения напряженного состояния грунта вследствие замачивания и его просадки. 
Эксперименты показывают, что в первый период замачивания наблюдаются только просадка грунтов при отсутствии горизонтальных перемещений. Последние появляются лишь при относительной разности просадки около 3—5 мм на 1 м и в дальнейшем по мере увеличения разности просадки увеличиваются до максимальной величины, соответствующей данному виду грунта и условиям замачивания.  
В плане горизонтальные перемещения проявляются практик чески в пределах тех же участков, на которых происходят неравномерные просадки грунта, т. е. на криволинейных участках кривой просадки поверхности грунта. С увеличением времени развития неравномерных просадок соответственно возрастает область горизонтальных перемещений грунта. 
В начальных точках криволинейного участка кривой просадки грунта горизонтальные перемещения равняются нулю. По мере удаления от этих точек горизонтальные перемещения увеличиваются до некоторой максимальной величины, при дальнейшем удалении абсолютная величина горизонтальных перемещений уменьшается до нуля. Векторы горизонтальных перемещений поверхности грунта направлены к центру замачиваемой площади. 

    Максимальная  величина горизонтальных перемещений  наблюдается, как правило, в точках, где величина просадки грунта равняется  половине максимальной величины на рассматриваемом  поперечнике. 
В общем случае при замачивании площадей значительных в плане размеров горизонтальные перемещения поверхности грунта характеризуются наличием трех зон: зон горизонтального уплотнения, зон горизонтального разуплотнения грунта и нейтральной зоны. 
В пределах зон горизонтального уплотнения происходит уплотнение грунта с перемещением его от периферии в сторону центра замачиваемой площади. По мере удаления от границы нейтральной зоны абсолютная величина горизонтальных перемещений поверхности грунта увеличивается до максимальной величины на границе с зоной горизонтального разуплотнения. 
В пределах зон горизонтального разуплотнения грунта так же происходят горизонтальные перемещения поверхности грунта в сторону оси замачиваемой площади. Но так как с удалением от границы зоны уплотнения полная величина горизонтальных перемещений постепенно уменьшается до нуля, они приводят к разуплотнению грунта у поверхности. Разуплотнение грунта выражается появлением в нем растягивающих напряжений и образованием просадочных трещин, которые, как правило, располагаются только в пределах этой зоны. 
Границы зон горизонтального уплотнениями разуплотнения грунта, характеризуемые максимальной абсолютной величиной горизонтальных перемещений, практически совпадают с участком максимального наклона кривой просадки грунта от собственного веса. В связи с этим для аналитических расчетов ширину распространения каждой из этих зон в плане можно принять одинаковой и равной половине длины криволинейного участка кривой просадки. 
В нейтральной зоне, совпадающей в плане с горизонтальным участком просадки грунта, в пределах которого просадки грунта практически равномерные, горизонтальные перемещения поверхности отсутствуют. При замачивании лессового грунта с площадей ограниченной ширины, например из каналов, траншей и т. п. источников нейтральная   зона  пропадает  и  горизонтальные   перемещения  будут характеризоваться  наличием зон уплотнения и разуплотнения грунта. 
В процессе просадки грунта при постепенном увеличении размеров увлажненной зоны происходит постепенное перемещение границ описанных выше зон, вследствие чего,  плавный характер распределения горизонтальных перемещений будет искажаться. 
На ровном участке и при горизонтальном напластовании грунтов горизонтальные перемещения развиваются практически симметрично относительно центра замачиваемой площади. При наклонных напластованиях грунтов максимальная величина развития горизонтальных перемещений смещается в сторону, противоположную падению слоев. На косо-горных участках горизонтальные перемещения развиваются в основном в верхней части и абсолютная величина их резко возрастает. 
Изучение горизонтальных перемещений в массиве показало, что с увеличением глубины они уменьшаются в зоне горизонтального разуплотнения практически по прямолинейному закону, а в зоне горизонтального уплотнения — по криволинейному. Подобный характер развития горизонтальных перемещений в массиве грунта обуславливается тем, что в результате просадок за пределами замачиваемой площади происходит образование призм обрушения и поворот их относительно некоторой оси. 
Эпюра развития горизонтальных перемещений по глубине показывает, что с глубиной уменьшается не только абсолютная величина горизонтальных перемещений, но и зона их развития. Области развития горизонтальных перемещений по глубине имеют форму, близкую к полуэллипсу. 
Под влиянием горизонтальных перемещений, вследствие возникающих дополнительных напряжений, в зонах горизонтального уплотнения происходит некоторое повышение степени плотности верхнего слоя грунта, залегающего от поверхности до глубины, с которой происходит просадка грунта от собственного веса.