- •Издание третье, переработан ное и исправленное
- •Москва «Высшая школа» 2005
- •Введение
- •Раздел I основные сведения о геологии
- •Глава1 происхождение, форма и строение земли происхождение земли
- •Форма земли
- •Строение земли
- •Глава2 тепловой режим земной коры
- •Глава3 минеральный и петрографический состав земной коры
- •Минералы
- •Горные породы
- •Магматические горные породы
- •Осадочные горные породы
- •Р и с. 25. Формирование пористости зернистых пород различной морфологии:
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Сейсмические явления
- •Раздел II
- •Глава 7
- •Основные понятия генетического грунтоведения
- •Состав грунтов
- •Строение грунтов
- •Состояние грунтов
- •Основные понятия при оценке инженерно-геологических свойств грунтов
- •Глава 9
- •Глава 10
- •Свойства связных грунтов
- •Время приобретения грунтами естественной плотности (по данным исследований на газопроводах)
- •Глава 11
- •Раздел III
- •Глава12
- •Би.П бинф а,.
- •Глава 13
- •Глава 14
- •Глава 15
- •Глава16
- •Глава 17
- •Глава 18
- •Глава 19
- •Раздел IV
- •Глава 20
- •Глава 22
- •Глава 23
- •Глава 24
- •Глава 25
- •Глава 26
- •Глава 27
- •Глава 28
- •Глава 29 плывуны
- •Глава 30
- •Деформации горных пород над подземными горными выработками
- •Раздел V инженерно-геологические работы для строительства зданий и сооружений
- •Глава 32 инженерно-геологические исследования для строительства
- •Глава 33 месторождения природных строительных материалов
- •Глава 34 инженерно-геологические изыскания для строительства зданий и сооружений
- •Раздел VI
- •Глава 35
- •Глава 36
- •Глава 2 24
- •Глава 3 25
- •Глава 4 99
- •Глава 5 102
- •Раздел V 184
- •Раздел VI 218
- •127994, Москва, гсп-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Глава 30
ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЛЕССОВЫХ ПОРОДАХ
Лессовые породы занимают большие площади территории России, залегая на различных геоморфологических элементах земной поверхности.
Подстилаются лессовые толщи разнообразными по возрасту и литологии отложениями. В одних случаях подстилающие слои представлены водопроницаемыми породами (пески, галечники и т. п.), в других — водоупорными глинами.
Толщина лессовых отложений колеблется от нескольких до десятков метров, а в отдельных случаях даже более 100 м (Восточное Предкавказье). Наиболее распространенная мощность лессовых отложений 10—25 м, максимальная встречается как на водоразделах, так и в понижениях рельефа. В лессовых толщах всегда встречаются погребенные почвенные горизонты, разделяющие толщи на ярусы по возрасту.
Лессовые породы представлены суглинками, реже — супесями. Среди них различают лесс(первичное образование) илессовидные суглинки(переотложенные первичные образования). Гранулометрический состав их нередко бывает сходным, поэтому в строительном деле целесообразно пользоваться единым названием«лессовые грунты», подразделяя их по гранулометрическому составу422 на супеси, суглинки, глины. Для лессов типична однородность. Лессовидные суглинки обычно слоисты и могут содержать обломки различных пород.
Лессовые грунты бывают палевой, палево-желтой или желто-бурой окраски. Для них характерны следующие особенности: способность сохранять вертикальные откосы в сухом состоянии, быстро размокать в воде, высокая пылеватость (содержание фракции 0,05—0,005 мм более 50 % при небольшом количестве глинистых частиц), невысокая природная влажность (до 15—17 %); пористая структура (более 40 %) с сетью крупных и мелких пор, высокая карбонатность, засоление легководорастворимыми солями.
Природная влажность лессовых грунтов связана, в основном, с климатическими особенностями районов. В областях недостаточного увлажнения влажность составляет не более 10—12% (Восточное Предкавказье и др.). В более влажных районах она достигает 12—14 % и более. Для лессовых толщ характерна анизотропность фильтрационных свойств. Водопроницаемость лессовых пород по вертикали нередко в 5—10разпревышает значения водопроницаемости по горизонтали. При поступлении воды в лессовые толщи образуются скопления верховодок (или грунтовых вод) куполообразного залегания. Такая форма подземных вод в настоящее время свойственна многим участкам, где постоянно происходят утечки промышленно-бытовых вод (Ростов-на-Дону, Таганрог и др.).
В лессовых толщах природная влажность распределяется довольно закономерно. У поверхности располагается зона сезонных колебаний влажности, ниже — зона относительно постоянной влажности и далее влажность изменяется в сторону увеличения или уменьшения, что зависит от характера подстилающих пород. При водоупорах природная влажность нарастает и переходит в грунтовую воду. При водопроницаемых породах природная влажность изменяется мало или даже с глубиной понижается.
Изменение влажности лессовых грунтов по сезонам года серьезно сказывается на основных строительных свойствах — сжимаемости, просадочности и сопротивлении сдвигу.
Среди лессовых пород по характеру влияния на них увлажнения различают: набухающие, непросадочные, просадочные.
Набухающиелессовые породы встречаются редко. Обычно эти плотные и наиболее глинистые разновидности с содержанием в составе фракции менее 0,005 мм гидрофильных минералов типа монтмориллонита. Величина набухания структурных образований достигает 1—3%, реже—5—7%.
Непросадочныелессовые породы при замачивании и приложении нагрузок просадочных свойств не проявляют. Такие породы
свойственны пониженным частям рельефа и наиболее северным районам распространения лессовых отложений. Непросадочными также являются нижние части лессовых толщ и участки, ранее претерпевшие значительное обводнение.
Просадочность— явление, характерное для многих лессовых пород. На рис. 165 показан наиболее характерный случай геологического строения лессовой толщи, в верхней части которой залегают грунты, обладающие просадочными свойствами. Просадка связана с воздействием воды на структуру пород с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самой породы или при суммарном давлении собственного веса и веса объекта. Уплотнение пород приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания водой. Форма опускания зависит от особенностей источника замачивания. При точечных источниках (прорыв водопроводной сети, канализации и т. д.) образуются блюдцеобразные понижения. Инфильтрация воды через траншеи и каналы приводит к продольным оседаниям поверхности. Площадные источники замачивания, в том числе и при поднятии уровня подземных вод, приводят к понижению поверхности на значительных территориях.
Вследствие опускания поверхности земли здания и сооружения претерпевают деформации, характер и размер которых определяется величинами просадок Snp(рис. 166, 167). Величина оседания поверхности (величина просадки) может быть различной и колеблется от нескольких до десятков сантиметров, что зависит от особенностей замачивания толщи. Например, в г. Ростове-на-Дону просадка может составить 15—20 см, а в районе Терско-Кумской оросительной системы на Северном Кавказе — 100—150 см.
Структура лессовых пород по своей прочности неодинакова. В одних случаях она разрушается после водонасыщения и при одно-
Р и с. 165. Строение лессовой толщи:
1— здание;2— породы просадочные;J—то же, непросадочные;4— грунтовая вода;5—глина (водоупор);6 —участок, где проявилась просадка; 7—деформируемая часть здания
Рис. 166. Деформация здания от просадки в лессовой породе основания
временном приложении к ней нагрузки от объекта. Такие породы относят кI типу по просадочности,другие лессовые породы разрушаются уже при водона- сьпцении только под собственным весом. Это породыII типа по просадочности(рис. 168).
В лессовых толщах проса- дочными свойствами обладает только их верхняя часть. Мощность слоя просадочных пород HSLколеблется от 1 до 30 м (иногда больше). Для пород / типа эта величина в основном составляет8—10м.
Просадочные породы до глубины 10—25 м типичны для II типа. Они встречаются в Восточном Предкавказье. Просадочные свойства с глубиной снижаются и постепенно переходят в непросадочные.
Важное значение в проявлении просадочного процесса имеет структурная прочность лессовых грунтов. При слабых и легководорастворимых структурных связях просадка возникает через несколько часов, что характерно для грунтов / типа. Структуры грунтовIтипа обычно более прочные. Кроме длительного, в течение ряда дней, воздействия водой для их разрушения необходимо более высокое давление (собственный вес грунта и вес здания, стоящего на нем). Из этого следует, что просадочный процесс возникает лишь при некотором для данного грунта дав- ленйи. Это давление назвали «начальным просадочным давлением»PSl-Для пород / типа оно составляет 0,13—0,2 МПа, дляII
Рис. 167. Деформация здания (схема) на лессовых породах в результате просадки:
— здание; 2 —лессовая порода;Jnp— величина просадки
Рис.
168. Соотношение мощности просадочных
и непросадочных пород в лессовых толщах
/ и II
типов:
П
— просадочные породы;
Н
— непросадочные породы
типа — 0,08—0,12 МПа. Значение начального просадочного давления определяет деформируемые зоны в лессовой просадочной толще. В этих зонах происходит просадочное уплотнение пород. На рис. 169 показано, где образуются деформируемые зоны в породах / иIIтипов.
В первом случае просадочная деформация возникает под фундаментом в зоне 1.Во втором случае, кроме зоны1,просадка возникает еще в зоне3,где она проявляется под действием собственного веса породы. В ряде случаев зона2вообще отсутствует, и зона1сливается с зоной3.
За количественную характеристику просадочности принимают величину относительной просадочности породы ESL,которую определяют в лаборатории по отдельным образцам, взятым из лессовой толщи. Образцы отбирают через 1 м или из различных слоев породы с сохранением структуры и природной влажности. ВеличиныEslполучают по результатам лабораторных компрессионных испытаний
ESl =Л, -hj/ho,
где ^— высота образца при принятом давлении;h) —высота образца в замоченном состоянии при том же давлении;h0— высота образца при давлении, равном природному. При значениях Ди,>0,01 породу относят к просадочной. По величинеESLотдельных образцов определяют общую величину просадкиSnpданной лессовой толщи.
В полевых условиях величину 5пропределяют методом штампа, который размещают на глубине подошвы будущего фундамента и передают на него необходимое давление и замачивают породу. Такого типа определения дают наиболее точные результаты.
П
II
тип
"{
Рис.
169. Деформационные зоны в просадочных
породах I
к II
типов:
Ф
— фундамент; 1
— верхняя деформируемая зона; 2—
переходная зона; 3
—
нижняя деформируемая зона; П — породы
просадочные;
Н
— то же, непросадочные
Тип грунтовых условий (/ или 1Г)устанавливают на основе лабораторных испытаний по расчетной величине Дщ,, но более точные результаты можно получить лишь в полевых условиях путем замачивания лессовых толщ в опытных котлованах и наблюдением за просадкой по реперам (рис. 170).
При определении величины просадочной деформации породы не следует забывать об осадке. Под весом сооружения грунт несколько уплотняется, происходит осадка сооружения. Величина осадки в значительной степени зависит от природной влажности грунта — чем больше влажность грунта, тем больше он сжимается и тем больше величина осадки. Просадка проявляется уже как дополнительное к осадке уплотнение. Таким образом, деформация породы складывается из «осадки — просадки». Для конкретных условий эта величина обычно постоянная. Соотношение между осадкой и просадкой может меняться. В более сухих грунтах осадка будет уменьшаться, а просадка возрастать, и наоборот.
Строительство на лессовых просадочных породах. В состоянии природной влажности и ненарушенной структуры лессовые породы являются достаточно устойчивым основанием. Однако если
существует потенциальная возможность проявления просадки и это приводит к деформациям зданий и сооружений, требуется осуществление различного рода мероприятий.
В настоящее время применяют комплекс методов. Это связано с многообразием свойств лессовых грунтов. Ни один из методов не может считаться универсальным. Современные способы строительства на лессовых породах позволяют успешно противодействовать возникновению просадочных явлений, особенно в породах / типа. Наибольший эффект борьбы с просадочностыо достигается при комбинировании 2—3 различных мероприятий.
Выбор мероприятий производят на основе технико-экономического анализа, в число факторов которого входят:
тип просадочности;
мощность просадочных пород и величина просадки;
конструктивные особенности зданий и сооружений.
Все методы подразделяют на три группы: 1) водозащитные; 2) конструктивные; 3) устраняющие просадочные свойства пород.
Водозащитныемероприятия предусматривают планировку строительных площадок для отвода поверхностных вод, гидроизоляцию поверхности земли, предохранение зданий от утечек воды из водопроводов, устройство водонепроницаемых полов, покры
тий, отмосток и т.д.
/
/
Рис.
171. Трамбование просадочной лессовой
породы на стройплощадке в Ростове-на-Дону
Наибольшее число методов связано с устранением просадочных свойств. Их подразделяют на две группы:
улучшение пород с применением механических методов;
физико-химические способы улучшения.
Механическиеметоды преобразуют породы либо с поверхности, либо в глубине толщ. Поверхностное уплотнение производят трамбовкой (рис. 171), замачиванием под своим весом или весом сооружения. В глубине толщ уплотнение производят с помощью грунтовых свай (песчаных, известняковых), взрывов в скважинах, замачиванием через скважины с последующим взрывом под водой и т. д. Находят применение также песчаные и грунтовые подушки, грунто-цементные опоры.
К физико-химическимспособам относят: обжиг грунтов через скважины, силикатизацию, пропитку цементными и глинистыми растворами, обработку различными солями, укрепление органическими веществами (битум, смолы и др.).
Г л а в а 31