Физические и механические свойства просадочных и набухающих грунтов

Физические и механические свойства просадочных и набухающих грунтов

Тема 2

Физические и механические свойства просадочных и набухающих грунтов

I.      
Просадочные грунты

Физические свойства

просадочный грунт деформация минералогический

Гранулометрический и минералогический состав

Гранулометрический состав просадочных лессовых грунтов характеризуется большим содержанием пылеватых частиц размером 0,05…0,005 мм (более 50 % ) и значительно меньшим содержанием глинистых частиц размером менее 0,005 мм (не более 10-15 %). Глинистые частицы чаще представлены, в основном, такими минералами как каолинит и гидрослюда, которые способствуют развитию просадки. Лессовые грунты, а также лессовидные суглинки содержат большое количество карбонатов, которые бывают видны невооруженным глазом в виде игольчатых включений при осмотре грунта.

Плотность частиц грунта

Плотность частиц лессовых грунтов в зависимости от их минералогического состава колеблется в пределах 2,6…2,75 г/см3.

Плотность лессовых грунтов

Плотность лессовых грунтов зависит от минерального состава, структуры и содержания в них воды и колеблется от 1,33 до 2,0 г/см3. Для них характерна также низкая плотность скелета (преимущественно менее 1,5 г/см3).

Пористость

Для просадочных грунтов характерна высокая пористость и наличие макропор, которые достигают 1-3 мм в диаметре и различимы невооруженным глазом. Макропоры имеют форму извилистых вертикальных канальцев. Обычно пористость лессовых грунтов колеблется от 40 до 60%. Коэффициент пористости просадочных лессовидных суглинков бывает более 0,9. После просадки пористость уменьшается.

Природная влажность

Природная влажность лессовых грунтов обычно невелика и колеблется в пределах 6…11%, что, как правило, менее границы раскатывания. Для лессовидных суглинков природная влажность на 5 - 7 % выше по сравнению с лессами. Степень просадочности грунта существенно зависит от естественной влажности: чем меньше природная влажность, тем выше просадочные свойства. Влажность верхних слоев лессовых толщ на глубине до 3 м существенно меняется в зависимости от времени года и атмосферных осадков, а на глубинах ниже 3 м изменение влажности обычно не зависит от этих факторов и остается постоянной, если нет постоянных источников обводнения грунтового массива.

Пластичность лессовых грунтов

Согласно многим исследованиям, просадочные лессовидные суглинки обладают более низкими значениями пределов и числа пластичности, чем непросадочные. Значение влажность на границе раскатывания Wp для лессов находится в пределах 12 - 18%, а для лессовидных суглинков - 14 - 26%. Влажность на границе текучести WL для лессов изменяется в пределах от 22 до 24%, а для лессовидных суглинков - 25 - 37%. Естественная влажность просадочных грунтов, обычно, меньше влажности на границе раскатывания, и такие грунты, как правило, обладают твердой, реже полутвердой консистенцией.

Особенности структуры просадочных грунтов

Для просадочных грунтов характерно наличие большого количества макропор в виде трубчатых канальцев d = 0.1 … 4 мм, имеющих преимущественно вертикальное положение (рис.1).

Рис.1 - Макроструктура просадочного грунта

Рис.2 - Микроструктура просадочного грунта

Такая система находится в равновесии и превосходно воспринимает статическую нагрузку в 0,2…0,3 МПа, подобно пространственной конструкции.

В этой конструкции роль узлов выполняют структурные связи. В просадочном грунте присутствуют как кристаллизационные, так и водно-коллоидные связи. Кристаллизационные связи чаще всего состоят из кальцита - СаСО3, который растворим в воде. Водноколлоидные связи возникают в результате действия электромолекулярных сил между глинистыми минеральными частицами и пленками воды.

Кроме того для просадочных лессовых грунтов обычно характерны: засоленность; светлая окраска (от палевого до охристого цвета); способность в маловлажном состоянии держать вертикальные откосы; цикличность строения толщ.

Механические свойства

Сжимаемость

При расчете сооружений необходимо знать характеристики деформируемости грунтов при естественной влажности, при замачивании и после замачивания. Модуль общей деформации просадочных грунтов, как и непросадочных, определяют в лаборатории при компрессионных испытаниях и в полевых условиях штамповыми испытаниями.

Лессовые грунты при природной влажности и ненарушенной структуре обладают высокой прочностью и малой деформируемостью. Компрессионные свойства лессовых грунтов естественной влажности качественно не отличаются от обычных малосжимаемых грунтов. При этом у них значения коэффициента сжимаемости и модуля общей деформации при изменении давления до 0,4 - 0,5 МПа мало зависит от давления (является постоянным в достаточно широком диапазоне давлений) (кривая 1 рис.3). При этом значения модуля деформации, полученные при компрессионных испытаниях и при испытаниях штампами в полевых условиях, могут значительно (в несколько раз) различаться между собой.

Рис.3 - Кривая зависимости коэффициента пористости просадочных грунтов от уплотняющего давления

- при природной влажности; 2 - в водонасыщенном состоянии

Структурные связи лессовых грунтов, обусловленные водно-коллоидными и цементационными связями, маловодостойки, поэтому эти грунты относятся к структурно-неустойчивым. При увеличении влажности в просадочном грунте происходят следующие процессы: при поступлении воды в грунт кальцит растворяется, а глинистые частицы увлажняются. При этом пленки воды, окружающие глинистые частицы, утолщаются и оказывают расклинивающее действие на частицы. В результате этого действия происходит разрушение макроструктуры грунта, частицы заполняют поры, грунт превращается в обычный суглинок.

Однако, прочность грунта вследствие разрушения структуры резко снижается, и он приобретает свойство сильно сжиматься под уплотняющей нагрузкой. Поэтому при постоянном значении уплотняющего давления под влиянием увлажнения резко скачкообразно изменяется коэффициент пористости, что указывает на коренное изменение структуры (рис.4). На компрессионной кривой можно выделить три характерных участка: 1) начальный участок ab, соответствующий сжатию грунта в ненарушенном состоянии, имеет небольшой наклон к оси давлений, что показывает на незначительную сжимаемость лессового грунта в природном состоянии; 2) участок bc характеризует просадку грунта, при которой происходит резкое уменьшение коэффициента пористости; 3) участок cd характеризуется большим по сравнению с первым изменением коэффициента пористости грунта, что указывает на увеличившуюся сжимаемость лессового грунта при нарушении природной структуры.

В водонасыщенном состоянии сжимаемость лессовых грунтов увеличивается и компрессионная кривая имеет выпуклость вниз (крутизна ее с увеличением нагрузки уменьшается) в отличии от компрессионной кривой неувлажненного грунта, имеющей выпуклость вверх (кривая 2 рис.3).

Рис.4 - Характер компрессионной кривой для просадочных грунтов

Водопроницаемость

Лессы обладают высокой для глинистых грунтов водопроницаемостью и резкой анизотропией по этому свойству. Наличие в таких грунтах макропор и вертикальных цилиндрических пустот приводит к тому, что водопроницаемость в вертикальном направлении больше, чем в горизонтальном. Коэффициент фильтрации в вертикальном направлении измеряется несколькими м/сут., в горизонтальном - десятыми или сотыми м/сут. Это приводит к тому, что при инфильтрации воды с поверхности образуются купола грунтовых вод, медленно растекающиеся в стороны. В пределах городов, где имеются многочисленные источники замачивания (утечки из коммуникаций, интенсивный полив водой скверов, садов, парков) в толще лессовых грунтов формируется техногенный горизонт грунтовых вод быстро повышающий свой уровень (до 0,5 - 1 м в год), что способствует интенсивному развитию просадочных явлений. В районах, где лессы обогащены гипсом, формирующиеся грунтовые воды агрессивны по отношению к бетону на портланд-цементе.

Сопротивление сдвигу (прочностные характеристики)

Просадочные грунты в природном состоянии при достаточно низкой влажности имеют высокие показатели сопротивления сдвигу. Увеличение влажности значительно снижает эти показатели. При повышении влажности до полного водонасыщения сцепление снижается в 2 - 10 раз, а угол внутреннего трения в 1,05 - 1,2 раза. При исследовании прочностных свойств просадочных грунтов необходимо изучить прочностные характеристики для трех состояний грунта: для грунта природной влажности, для грунта в процессе проявления просадки и для грунта водонасыщенного. Для этого проводят испытания таких грунтов в приборах прямого одноплоскостного среза по следующим трем схемам:

- консолидировано-дренированный сдвиг (в условиях завершенной консолидации с предварительным уплотнением образцов) при природной влажности соответствует случаю отсутствия замачивания и просадки. Полученные характеристики используются для расчета оснований при природной влажности;

- консолидировано-дренированный сдвиг в условиях завершенной консолидации при полном водонасыщении грунта соответствует работе грунта после проявления просадки. Полученные характеристики используются для расчета оснований в случаях замачивания и допущения возможных величин просадки;

- неконсолидировано-недренированный сдвиг (в условиях незавершенной консолидации без предварительного уплотнения образцов) при полном водонасыщении грунта соответствует состоянию просадки грунта. Полученные характеристики используются для расчета оснований, сложенных просадочными грунтами, в процессе их замачивания и просадки.

Показатели просадочных свойств грунтов

. Относительная деформация просадочности esl - отношение разности высот образцов, соответственно, природной влажности и после его замачивания при заданном давлении (давление вышележащего грунта плюс давление от сооружения) к высоте образца природной влажности.

Относительная деформация просадочности грунта определяется на основе испытаний грунта в лабораторных условиях по формуле

,      (1)

где h и h1 - высота образца, соответственно природной влажности и после его полного водонасыщения (w = wsat) при давлении р; h0 - высота, того же образца природной влажности при р = σzg (природному).

Просадку грунтов учитывают при относительной деформации просадочности εsl ≥ 0,01. По относительной деформации просадочности εsl глинистые грунты подразделяют согласно таблице (ГОСТ 25100-2011)

. Начальное просадочное давление psl - это минимальное давление, при котором проявляются просадочные свойства грунта при его полном водонасыщении.

За начальное просадочное давление psl принимают давление, соответствующее давлению, при котором относительная деформация просадочности esl = 0,01.

. Начальная просадочная влажность Wsl - это минимальная влажность, при которой от внешней нагрузки и (или) собственного веса грунта проявляются его просадочные свойства и относительная деформация просадочности esl = 0,01.

Относительная деформация просадочности грунта esl тем больше, чем больше приложенное к грунту давление. Если определить esl одного грунта при различных давлениях, можно построить график зависимости относительной просадочности от давления (рис.5).

Рис.5. Зависимость относительной деформации просадочности грунта от давления.

Лабораторные и полевые методы определения характеристик просадочности грунтов

В соответствии с ГОСТ 23161-2012 характеристики просадочности определяют по относительной деформации, полученной по результатам испытаний образцов грунта ненарушенного сложения в компрессионных приборах.

Испытания проводят на образцах грунта с замачиванием их водой при давлении, последовательно увеличиваемом ступенями.

Испытания просадочных грунтов в компрессионных приборах выполняют по схемам:

«одной кривой» - для определения относительной просадочности при одной заданной величине давления;

«двух кривых» - для определения относительной просадочности при различных давлениях и начального просадочного давления.

При испытаниях по схеме «одной кривой» нагрузку штампа на образец грунта с природной влажностью производят ступенями до заданного давления Рi. После условной стабилизации осадки образца грунта на ступени давления, соответствующей Рi, образец грунта замачивают водой, продолжая замачивание до условной стабилизации просадки (рис.6).

Относительную деформацию просадочности грунта esl при заданном давлении Рi по испытаниям по схеме «одной кривой» определяют как дополнительное относительное сжатие образца грунта в результате замачивания по формуле

         (2)

где Δhsl - дополнительное сжатие (просадка) грунта в результате замачивания;  - высота образца грунта с природной влажностью при заданном давлении; hsat.p - высота образца грунта после дополнительного сжатия (просадки) в результате замачивания.

Рис.6 - График испытания просадочного грунта в компрессионном приборе по схеме «одной кривой»: 1 - относительное сжатие e грунта с природной влажностью в зависимости от давления; 3 - дополнительное относительное сжатие грунта в результате замачивания

Испытания по схеме «двух кривых» проводят на двух образцах грунта, отобранных из одного монолита. Один образец испытывают при природной влажности, а второй образец замачивают до его нагрузки до полного водонасыщения. Замачивание начинают не менее чем за 3 ч до начала испытания для просадочных супесей и 6 ч - для просадочных суглинков и глин. Затем производят нагрузку на образец ступенями до заданного давления Р3, продолжая замачивание. Величину Р3 в испытаниях по схеме «двух кривых» принимают в интервале 0,2 - 0,4 МПа.

Величины относительной просадочности esl для различных давлений при испытаниях по схеме «двух кривых» определяют как разность значений относительного сжатия образцов в водонасыщенном состоянии ew и природной влажности ee или разности ординат соответствующих кривых графика e = f(p) (рис. 7).

esl = ew - ee. (3)

По значениям esl строят график зависимости относительной просадочности от давления esl = f(p).

Начальное просадочное давление psl определяют по графику зависимости относительной просадочности от давления esl = f(p), принимая за величину psl то давление, при котором относительная деформация просадочности составляет 0,01.

Рис.7 - График испытания просадочного грунта в компрессионном приборе по схеме «двух кривых»: 1, 2 - относительное сжатие e грунта с природной влажностью и в водонасыщенном состоянии в зависимости от давления; 3 - дополнительное относительное сжатие грунта в результате замачивания (относительная деформация просадочности) при заданном давлении; 4 - зависимость относительной деформации просадочности esl от давления; Рsl - начальное просадочное давление

ГОСТ 23161-2012 рекомендует определять характеристики просадочности еще одним методом - в компрессионном приборе ускоренной методикой по «комбинированной схеме». Испытание просадочного грунта ускоренной методикой по «комбинированной схеме» проводится на одном образце грунта в два этапа. В начале испытывают грунт при его природной влажности путем нагружения его ступенями по 25-50 кПа до давления ре, близкого к значению начального просадочного давления рsl, но не более р ≤ 100кПа. После этого замачивают образец грунта до полного водонасыщения в течение не менее 6 ч глинистого грунта и 3 ч супесей и песков. Затем при непрерывном замачивании продолжают нагружение образца грунта ступенями по 25-50 кПа до заданного (конечного) давления рз на грунт.

По результатам испытаний просадочного грунта в компрессионном приборе строят график зависимости сжатия образца грунта от давления на грунт e =f(р) (рис. 8), на котором:

кривую сжатия грунта при природной влажности на первом этапе экстраполируют для второго этапа в пределах изменения давления от ре до рз;

кривую сжатия грунта в водонасыщенном состоянии на втором этапе экстраполируют для первого этапа в пределах изменения давления на грунт от рe до 0.

Испытания ускоренной методикой по «комбинированной схеме» проводят для определения характеристик просадочности esl и рsl. Заданное (конечное) давление рз обычно принимают рз ≤ 3 рsl.

Рис.8 - График испытания просадочного грунта в компрессионном приборе ускоренной методикой по «комбинированной схеме»

и 2 - зависимости относительного сжатия грунта от давления при природной влажности и водонасыщенном состоянии соответственно; 3 - относительное сжатие в результате замачивания - относительная просадочность грунта esl при р = 100 кПа; 4 и 5 - экстраполируемые кривые относительного сжатия грунта соответственно при природной влажности и водонасыщенном состоянии; 6 - кривая зависимости относительной просадочности esl от давления на грунт р; рsl - начальное просадочное давление, принимаемое при esl =0,01

Значения характеристик просадочности могут быть определены также в полевых условиях по испытаниям грунта штампом с замачиванием. Используют методы, называемые комбинированным и упрощенным. При первом методе испытания проводят двумя стандартными штампами, установленными на расстоянии 3 - 4 м друг от друга. В первом пункте штамп устанавливают на просадочный грунт естественной влажности, нагружают его отдельными ступенями до заданного давления, после чего грунт основания штампа замачивают до стабилизации просадки. Во втором пункте грунт предварительно водонасыщается на глубину 0,8 - 1 м и в дальнейшем штамп нагружают ступенями до заданной нагрузки с непрерывным замачиванием грунта (рис. 9 а).

По упрощенному методу испытания просадочного грунта при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии проводят на одном штампе. Сначала штамп нагружают отдельными ступенями при естественной влажности грунта до давления, близкого к начальному просадочному давлению. Затем при этом давлении грунт замачивают до полного водонасыщения на глубину не менее 0,8 - 1 м и после этого продолжают нагружение штампа при непрерывном замачивании до заданной нагрузки. При обработке результатов испытаний (рис.9 б) кривая осадки грунта в водонасыщенном состоянии экстраполируется влево до р = 0, а кривая осадки при естественной влажности - вправо. Начальное просадочное давление определяется по построенным кривым зависимости осадки от нагрузки для водонасыщенного состояния и принимается равным пределу пропорциональности на графике «нагрузка-осадка», характеризующему переход фазы уплотнения просадочного грунта в фазу просадки.

Рис.9 - Графики осадок и просадок штампов при испытаниях полевыми методами: а - комбинированный метод; б - упрощенный метод

Типы грунтовых условий по просадочности

Грунтовые условия площадок, сложенных просадочными грунтами, в зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственного веса подразделяют на два типа:тип - грунтовые условия, в которых возможна в основном просадка грунтов от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см;тип - грунтовые условия, в которых помимо просадки грунтов от внешней нагрузки возможна их просадка от собственного веса и размер ее превышает 5 см.

Развитие просадочных деформаций по глубине просадочной толщи

В общем случае просадки по глубине характеризуются наличием трех характерных зон (рис. 10):

Рис.10 - Зоны деформаций просадочного грунта в основании фундамента

- вертикальные напряжения от собственного веса грунта σzg; 2 - суммарные вертикальные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта σz = σzp + σzg; 3 - изменение с глубиной начального просадочного давления psl

I - деформируемая зона, в пределах которой происходит просадка грунта под действием нагрузки от фундамента и собственного веса грунта. Она распространяется на глубину, при которой вертикальные напряжения от фундамента σzp и собственного веса грунта σzg равняются величине начального просадочного давления.

II - пассивная зона, в которой деформации грунта при замачивании практически отсутствуют, так как суммарные напряжения меньше начального просадочного давления.

III - зона просадки грунта от собственного веса, в пределах которой происходит просадки грунта от его собственного веса. Она начинается на глубине, где вертикальные напряжения от собственного веса грунта σzg равняются начальному просадочному давлению, и заканчивается на нижней границе просадочной толщи.

Развитие просадочных деформаций во времени

Развитие просадочных деформаций лессового грунта во времени характеризуется четырьмя фазами (рис.11). Первая фаза - допросадочное уплотнение - уплотнение грунта за счет уменьшения пористости. Вторая фаза - просадка - резкая провальная осадка, сопровождающаяся нарушением структуры грунта и более плотной его укладкой. Значение модуля деформации при этом уменьшается в 2…10 раз. Третья фаза - послепросадочное уплотнение характеризуется резким уменьшением скорости нарастания деформаций. В конце этой фазы в грунте под фундаментом может произойти образование уплотненного ядра и непрерывных поверхностей скольжения, приводящих при дальнейшем нарастании нагрузки к потере устойчивости основания - четвертая фаза.

Рис.11 - Фазы развития деформаций просадочного грунта во времени:

А - начало просадки; Б - окончание замачивания

ЛИТЕРАТУРА

1.       ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. -М., Стандартинформ, 2012.

.        ГОСТ 23161-2012. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик просадочности. - М., Стандартинформ, 2013.