Лессовые грунты не дают значительную просадку при замачивании
Обновлено: 05.10.2024
Лёсс относится к глинистым грунтам. Как разновидность лёссовых грунтов выделяют лёссовые суглинки, однако они имеют ряд отличий.
· Лёсс содержит меньше глинистых частиц и имеет светло-желтый или палевый цвет, в отличие от красновато-бурого лёссового суглинка.
· Лёсс - более пористый и менее плотный, склонный к просадочности материал.
Однако физико-химические характеристики лёсса в сухом и влажном состоянии сильно отличаются. Так, например, при увеличении влажности грунта увеличивается сжимаемость и уменьшается сопротивление породы сдвигу, а значительное снижение влажности необратимо меняет свойства лёсса из-за нарушения характера связей между частицами и их агрегатами.
Это мягкий, структурно-неустойчивый грунт, поскольку в сухом состоянии он достаточно прочен, а под взаимодействие с влагой повышает его плотность и склонность к растрескиванию, поэтому такой грунт дает сильную просадку как от внешней нагрузки, так и от собственного веса.
Лёсс - осадочная порода, которая расположена сразу под почвенным покровом. Толщина таких отложений может достигать нескольких десятков метров.
Особенности лёссового грунта, влияющие на его строительные характеристики
В основе лёсса кварц, полевые шпаты, кальцит и другие минералы, большое количество карбонатов (в среднем 5-20 %) и другие легкорастворимые соли. Высокодисперсные карбонаты и соли создают прочные слаборастворимые связи между зернами лессовых пород, что в совокупности с малым количеством глинистых частиц ведет к снижению пластичности грунта, но повышают сопротивление сдвигу.
2. Пористость 36-60%, вследствие чего лёсс содержит больше воздуха, чем твердых частиц в сухом состоянии.
Для лёсса характерны четыре вида пор:
Это трещины, канальцы, суффозно-карцевые пустоты. Это делает лёсс ненарушенного сложения менее прочным, чем нарушенного.
Эти поры составляют до 35% всего объема грунта и имеют неправильную форму. По ним может перемещаться влага.
Размером до 3мм трубчатые вертикальные канальцы, которые при увлажнении могут сокращать свой объем. При прикладывании давления общий объем такого грунта будет уменьшаться, если же образец насытить водой, то объем уменьшится резко из-за снижения коэффициента пористости.
Плотность лёсса связана с его высокой пористостью и низкой влажностью. Чем глубже расположены слои лёссовой породы, тем выше будет их плотность и сопротивление сдвигу.
3. С этой характеристикой связана величина относительной объемной усадки грунта (δy-v ), которая вычисляется по формуле:
При нарушении сложения грунта значение δ y значительно возрастает. Кроме того, при увеличении влажности такой грунт сжимается сильнее, что тоже ведет к увеличению усадки.
4. Лёсс обладает анизотропностью водопроницаемости, то есть при определении фильтрационных свойств породы в вертикальном положении и в горизонтальном значения могут отличаться в несколько раз из-за вертикальной направленности пор, возникшей в ходе аккумуляции частиц грунта.
5. Естественная влажность лёсса – 0,05-0,25, а максимальная влажность – 15-17%
В лессовых грунтах природная влажность распределяется неравномерно: в верхнем слое располагается зона сезонных и суточных колебаний влажности, ниже - зона относительно постоянной влажности и далее влажность изменяется в сторону увеличения или уменьшения, что зависит от характера подстилающих пород (она может переходить даже в грунтовую воду).
6. Лёсс быстро размокает в воде и не отслаивается, а распадается на структурные элементы целиком благодаря своей пылеватости. Вследствие способности к быстрой размываемости на территориях распространения лёсса часто наблюдается развитие эрозии почвы и просадки грунта.
7. На показатель набухания лёсса влияют несколько факторов:
· величина набухания лессовых пород определяется прежде всего количеством в них глинистых частиц;
· нарушение структуры грунта увеличивает этот показатель в два-три раза;
· уплотнение грунта с помощью специальных процедур может уменьшить набухание. Это объясняется резким снижением показателя водопроницаемости;
· по канальцам в лёссовых грунтах перемещается влага, в которой могут содержаться соли. Их состав и концентрация также влияют на степень набухаемости.
Лёссовый грунт это лёссы и лёссовидные породы, которые относятся к классу осадочных пород.
Так называемый типичный лёсс представляет собой мягкий, мучнистый на ощупь, пылеватый суглинок. Как правило, лессы по структуре макропористы и часто содержат карбонатные соли. Цвет их светло-палевый, желтый, желто-бурый, иногда сероватожелтый.Происхождение лёссов пока еще недостаточно выяснено.Существует несколько гипотез,объясняющих их происхождение. Одна из них-эоловая -исходит из того, что лессы образуются путем переноса ветром пылеватых и глинистых частиц из пустынь.
Эта гипотеза была изложена ранее, при рассмотрении эоловых отложений.Другая гипотеза, тоже эоловая, исходит из того, что лессы образуются развеванием моренных и зандровых отложений.В основу водно-ледниковой гипотезы положено предположение, что пылевато-глинистые частицы были перенесены потоками талых ледниковых вод.Предположение, что частицы пыли и глин могут быть перенесены водой горных потоков, было положено в основу пролювиальной гипотезы.
Значительный интерес представляет так называемая элювиальная или почвенная гипотеза, предложенная Л.С. Бергом.Предполагается, что лёсс образуется в результате вторичного процесса, происходящего в условиях сухого климата, аналогичного климату пустынь и степей.В результате этого лесс является продуктом преобразования любой глинистой породы аллювиального, ледникового, флювиогляциального, делювиального или какого-либо другого происхождения.В условиях сухого климата под влиянием выделяющихся щелочноземельных катионов происходит коагуляция коллоидальных аллюмосиликатных частиц в более крупные пылеватые агрегаты, слагающие главную массу лёсса.
при этом происходит уменьшение объема скелета породы и увеличение количества и размеров пор.Рассматривая процесс образования лёсса как вторичный, К.К. Гедройц объясняет и возможный процесс деградации лёсса, превращения его в обычную глинистую породу.Такой процесс возможен при изменении климата в сторону большей влажности .При увеличении влажности катионы кальция и магния удаляются из лёсса, в результате чего происходит диспергирование алюмосиликатных агрегатов лёсса и превращение его в обычную глинистую породу.Учитывая огромные площади, занятые лёссовыми отложениями в различных климатических зонах, по -видимому, правильнее всего исходить из того, что образование лёссов возможно любым из указанных путей.
Переотложенные виды лёссов ( лёссовидные суглинки, супеси и глины) называют лёссовидными породами.различие между лёссами и лёссовидными породами приведено в таблицу-1.
Таблица-1. Различия между лёссами и лёссовидными породами.
Лёссовые грунты
◊ Инженерно-геологические характеристики лёссовых пород
Хотя лессовые породы могут образовываться различными путями, их характеристики независимо от условий образования будут одни и те же.Если образец породы будет испытывать некоторое давление то его общий объем и объем пор уменьшатся, а объем скелета останется без изменений .Если, не снимая нагрузки, залить образец водой, то непросадочная порода останется неизменной, а просадочная -даст резкое уменьшение объема и, следовательно, резкое уменьшение коэффициента пористости.Такое резкое изменение объема породы при замачивании под нагрузкой может произойти только за счет уничтожения макропор, поэтому величинк разности между коэффициентом пористости под нагрузкой без замачивания ep и коэффициентом пористости под нагрузкой при замачивании называют коэффициентом макропористости ем:
Коэффициент макропористости является хорошей характеристикой просадочных пород и используется во многих инженерных расчетах, однако следует помнить, что он зависит от величины давления, при котором порода увлажнена и, следовательно, для каждого, данного грунта является величиной переменной. В механике грунтов доказывается, что величина относительной деформации нескальных пород определяется выражением :
Соответственно полная деформация толщи породы мощностью h:
где e0-коэффициент пористоти породы природного сложения; ер-коэффициент пористоти после приложения нагрузки.Приведенные выражения относительной и полной деформации получены в предположении, что рассматриваемый участок имеет достаточно большое ( теоретически неограниченное) простирание и нагружен равномерно распределенной нагрузкой.
Такое положение вполне применимо к толщам пород, нагруженных собственным весом вышележащих слоев. Выражения -(1) и (2)относительной и полной деформации могут быть использованы для определения просадочных свойств лёсса. Рассмотрим такие равенства:
δ′пр=em/(1+ep) и δ ′′=em/(1+e0) . (3)
Первое равенство дает величину относительной просадки по отношению к мощности слоя, уже обжатого нагрузкой р до увлажнения, второе -дает величину относительной просадки по отношению к мощности слоя до приложения нагрузки.Следовательно, величина полной просадки лёссовой толщи равна :
где h0 и hp-соответственно мощность толщи до и после приложения внешней нагрузки, но до увлажнения.При инженерно-геологитческих исследованиях для строительства проводят испытания лёссовых грунтов на просадочность при замачивании. Замачивание проводят при различных давлениях, которые практически будет испытывать толща лёссового грунта под нагрузкой от сооружения.Кроме того, обязательно проводится испытание на просадочность при замачивании под нагрузкой, равной тому давлению, которое грунт испытывает в условиях природного залегания.
Рисунок-1. Обрушение вертикальных откосов в лёссах при замачивании склона
В таких случаях определяют величину полной просадки при нагрузках, равных фактическим давлениям от строящегося сооружения и, исходя из нее, устанавливают систему мероприятий, предохраняющих здания и сооружения от просадок.Эти мероприятия являются уже инженерно-строительными и не могут быть подробно изложены в данной статье.В общем инженерно-строительные меропирятия заключаются или в предохранение просадочной толщи от замачивания, или в искусственном устранении просадочных свойств.
Величина полной просадки Sпр является почти исчерпывающей характеристикой просадочных свойств данного грунта. Следует отметить, что хотя просадочность является характерной особенностью лёссов, однако в природе имеется достаточное количество лёссов, у которых свойство просадочности или совсем отсутствует, или проявляется в ничтожно малой степени.По нормам проектирования естественных оснований зданий и сооружений ( СНиП II-15-74) к просадочным грунтам относят глинистые породы, имеющие степень влажности G ≤ 0,8 и показатель П=(еL-e0)/(1+e0) меньше значений, приведенных ниже, а величина коэффициента пористости, при влажности на границе пластичности равна еL=ρудWL/ρв
Число пластичности грунта Ip 0,01≤Ip РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!
Как уже указывалось, характерным свойством макропористых грунтов является их просадочность при замачивании под нагрузкой. Образец лессовидного грунта естественной структуры при испытании на осадку в условиях, исключающих возможность выдавливания грунта в стороны, под нагрузкой 2,5 кг/см2 после замачивания дает осадку, в 7 раз большую, чем осадка такого же образца грунта и при той же нагрузке, но испытанного при естественной влажности (без замачивания).
По современным воззрениям просадочность макропористых лессовых грунтов возникает вследствие недоуплотненности и способности агрегатов частиц этих грунтов к пептизации при увлажнении, т. е. к переходу твердых коллоидных пленок в жидкий раствор. Образующиеся при этом водные пленки вследствие их расклинивающего действия раздвигают грунтовые частицы, разрушают агрегаты частиц и создают условия, благоприятные для доуплотнения лессовых грунтов. Кроме того, известное значение в разрушении структуры агрегатов частиц имеет и растворение солей, цементирующих частицы лессовых грунтов, а также действие осмотического давления, возникающего вследствие разности концентрации солей пленочной воды и воды.
Образец грунта необходимо замачивать при нагрузке, соответствующей сумме природного давления и давления (сжимающего напряжения), которое будет в грунте от сооружения на глубине взятия образца. Максимально возможную величину просадки всей просадочной толщи макропористых лессовых грунтов определяют по величине относительной просадочности отдельных слоев и их мощности.
При оценке общей деформации лессовых грунтов, подверженных замачиванию с одновременным загружением, необходимо учитывать следующие три составляющие: осадку, обусловленную уплотнением грунта (т. е. уменьшением пористости при увеличении давления), просадку, возникающую в результате коренного изменения структуры грунта при переходе его из макропористого структурного состояния в бесструктурную водонасыщенную массу, и послепросадочную деформацию грунта, вызванную медленным нарушением кристаллизационных связей, суффозией (вымывом) мельчайших частиц и ползучестью скелета грунта при длительном действии фильтрации.
Для определения просадки лёссового грунта в лабораторных условиях проводят компрессионные испытания. Образец лёссового грунта помещают в одометр, уплотняют давлением Р1, а затем через пористый диск поршня выполняют замачивание водой. По результатам испытаний строят зависимость h=f(P) (см. схему).
Просадочные грунты характеризуются:
• относительной просадочностью εsl — относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания;
• начальным просадочным давлением Psl — минимальным давлением, при котором проявляются просадочные свойства грунтов при их полном водонасыщении;
• начальной просадочной влажностью ωsl — минимальной влажностью, при которой проявляются просадочные свойства грунтов.
Относительная просадочность грунта определяется в компрессионных приборах по методу одной или двух кривых (ГОСТ 23161—78).
По методу одной кривой (рис. 5.18,а,б) испытывают пробу грунта естественной влажности при заданном давлении. После стабилизации осадки грунт насыщают водой, замеряя просадку, и испытание продолжают уже для водонасыщенного грунта.
По методу двух кривых (см. рис. 5.18,в) компрессионным испытаниям подвергают две пробы грунта: одну — при естественной влажности, вторую — при полном водонасыщении, после чего строят графики зависимости е, ∆h=ƒ(P). На кривых (см. рис. 5.18,а) различают три области деформирования просадочных грунтов: область ab, соответствующую сжатию грунта в ненарушенном состоянии; область bc, характеризующую просадку грунтов, и область cd — уплотнение грунта с ненарушенными структурными связями. По кривым e, Δh=ƒ(P) просадочных грунтов непосредственно определяют значение изменения коэффициента пористости грунта при просадке ∆εsl а также относительную просадочность εsl,по формуле.
Рис. 5.18. Компрессионные кривые просадочного грунта: а, б — по методу одной кривой, соответственно, пылевато-глинистых при замачивании и рыхлых песчаных при вибрации; в — по методу двух кривых; 1 — для грунта естественной влажности; 2 — для грунта, насыщенного водой
5. Инженерная геология России. Том. 1. Грунты России: [монография] / Под ред. В.Т. Трофимова, Е.А. Вознесенского, В.А. Королёва. – М.: КДУ, 2011. – 672 с.
7. Кригер Н.И. Что такое лёсс. (вопросы определения и классификации) // Классификационные критерии разделения лёссовых пород. – М.: Наука, 1984. – С. 6–14.
8. Ларионов А.К, Приклонский В. А., Ананьев В П. Лёссовые породы СССР и их строительные свойства. – М.: Госгеолтехиздат, 1959. – 256 с.
9. Ларионов А. К Условия выбора классификационных критериев лёссовых пород//Классификационные критерии разделения лёссовых пород. – М.: Наука, 1984. – 368 с.
10. Лёссовые породы / Под. ред. Е.М. Сергеева, А.К. Ларионовой, Н.Н. Комисаровой. – Т. 1. – М.: Недра, 1986. – 232 с.
12. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов. – 110 с.
13. Сергеев Е.М. Генезис лёссов в связи с их инженерно-геологичеекими особенностями // Вестник Моск. Ун-та. – Геология. – Сер. 4, № 5. – Москва, 1976. – С. 3–15.
14. Трофимов В.Т. Инженерная геология массивов лёссовых пород. Учебное пособие. – М.: КДУ, 2007. – 398 с.
В России лёссовые отложения занимают до 10 % площади. При этом развитие просадочного процесса различной интенсивности и степени локализации наблюдается на большей части территории их распространения [11].
Результаты исследования и их обсуждение
Е.М. Сергеев, Л.Г. Балаев, Г.А. Мавлянов, А.К. Ларионов, Н.Н. Комисарова выделяли четыре подтипа лёссовых грунтов [8, 9, 10, 13].
1. Лёсс – порода, обладающая следующими инженерно-геологическими критериями: просадочностью при природном давлении и дополнительных нагрузках; малой гидрофильностью (влажность, Wл 2,6 %); слабыми водоустойчивыми структурными связями; преимущественно зернисто-плёнчатой или пылевато-плёнчатой структурой.
2. Деградированный лёсс – имеет те же признаки, что и лёсс, но потерял способность к просадке в результате увлажнения и дополнительного уплотнения.
3. Для лёссовидного грунта (порода) характерны: отсутствие просадочных свойств при замачивании; более высокая гидрофильность (Wл ≥ 2,6 %); преимущественно зернисто-агрегативная и агрегативная структуры, которые обеспечивают более прочные структурные связи.
4. Лёссоподобный грунт (порода) – мёрзлые пылеватые образования, проявляющие термоосадки в результате оттаивания.
Анализ работ данных авторов позволяет сделать основные выводы:
- просадочными свойствами обладают лёссы.
В.П. Ананьев, В.И. Коробкин, Л.В. Передельский, А.Д. Потапов (1973–2000 гг.) представили свое понимание терминов лёссоведения в работе [1]. В основе разделения пород лежат инженерно-геологические признаки. Авторы выделяют следующие типы.
Рис. 1. Пояснение терминов лёссоведения в работах В.П. Ананьева, В.И. Коробкина, Л.В. Передельского, А.Д. Потапова (1973–2000 гг.)
2. Для лёссов типична однородность.
3. Лёссовидные суглинки обычно слоисты и могут содержать обломки различных пород.
Анализ работ данных авторов позволяет сделать основные выводы:
- в основе выделения генетические признаки: лёсс (первичное образование) и лёссовидные суглинки (переотложенные первичные образования);
- по характеру влияния на них увлажнения различают: набухающие, непросадочные, просадочные.
Классификационные критерии разделения лёссовых грунтов в инженерно-геологических целях рассмотрены в ГОСТ 25100-82 Грунты. Классификация [3]. Согласно стандарту, лёссовые грунты – пылевато-глинистые образования относятся к группе – осадочных несцементированных; подгруппе – обломочных – пылеватых и глинистых (элювиальные, пролювиальные, делювиальные, аллювиальные, водно-ледниковые, ледниковые, озерные, морские, эоловые, пирокластические и смешанного происхождения). Типы выделяются по совокупности признаков и по числу пластичности так же, как супеси, суглинки и глины: лёссовые грунты и илы; вид – по коэффициенту пористости. По последнему показателю обособляются разновидности: низкопористые е - 0,8 и высокопористые е - 0,8. Лёссовые грунты однородны; содержат более 50 % пылеватых частиц (0,05–0,005 мм), дают просадку. По содержанию легко- и среднерастворимых солей и карбонатов ранжируют разновидности: незасоленные, засоленные. Породы легко размокают и размываются; в маловлажном состоянии способны держать вертикальные откосы; при полном водонасыщении могут переходить в плывунное состояние. Кроме перечисленных выше, определяют разновидности по степени цементации льдом; по консистенции; по содержанию органического вещества (рис. 2).
Рис. 2. Пояснение терминов лёссоведения в ГОСТ 25100-82 Грунты. Классификация
Анализ ГОСТ позволяет сделать основные выводы:
- просадочность – типичное свойство; грунты (породы) разделяются по относительной деформации просадочности ?sl на просадочные и непросадочные;
- при полном водонасыщении могут переходить в плывунное состояние; упоминаются лессовые породы, находящиеся в мерзлом состоянии.
В СП 11-105-97, III часть выделяются лёссы, лёссовые и лёссовидные породы (грунты) [12].
Главная отличительная особенность лёссов – наличие макропор размером 1–3 мм, различимых невооруженным глазом.
Лёссовые грунты – всегда проявляют просадочные свойства. Характерны следующие признаки лёссовых просадочных грунтов: светлая окраска (от палевого до охристого цвета); высокая пылеватость (содержание частиц размером 0,05–0,005 мм более 50 % при количестве частиц размером менее 0,005 мм, как правило, не более 10–15 %); числа пластичности менее 12; повышенная пористость (более 45 %); засоленность; способность держать вертикальные откосы в маловлажном состоянии; цикличность строения толщ; невысокая природная влажность (как правило, менее границы раскатывания); низкая плотность скелета грунта (менее 1,5 г/см3).
Лёссовидные породы, в основном суглинки, имеют более темный бурый или красновато-бурый цвет; плотность 1,8–1,9 г/см3; пористость до 40 %; более глинисты; непросадочны.
Анализ данного Свода правил позволяет сделать основные выводы:
- главная отличительная особенность лёссов – наличие макропор размером 1–3 мм, различимых невооруженным глазом;
- просадочность – типичное свойство лёссовых грунтов;
- лёссовидные грунты, в основном суглинки, не обладают просадочными свойствами.
Лёсс – порода, обладающая следующими критериями: более 50 % содержание тонкопесчаных (0,1–0,005 мм) и крупнопылеватых (0,01–0,05 мм) частиц и небольшое количество глинистых (до 16 % по классификации С.С. Морозова), которые находятся в агрегированном состоянии. Лёссы проявляют просадочные свойства (при замачивании) при действии природного давления.
Лёссовидные грунты – занимают промежуточное положение между лёссами и глинистыми грунтами. Обладают следующими критериями: в гранулометрическом составе преобладают частицы 0,01–0,0001 мм, которые вместе с глинистыми частицами образуют микроагрегаты. Просадочные свойства при замачив ании реализуются только под действием дополнительных нагрузок (рис. 3).
Рис. 3. Пояснение терминов лёссоведения в работах В.Т. Трофимова
Анализ работ В.Т. Трофимова позволяет сделать основные выводы:
- просадочны и лёссы, и лёссовидные грунты;
- лёссовидные грунты занимают промежуточное положение между лёссами и глинистыми грунтами.
На основании анализа и обобщения основных литературных источников, содержащих пояснения терминов лёссоведения, можно сделать следующие выводы:
4. Выделяются пять различных по содержанию определений главных терминов: генетическое; литологическое; инженерно-геологическое; морфологическое; стратиграфическое [6], [7]. Основными являются: генетическое, литологическое и инженерно-геологическое [15].
Читайте также: