2.2.8. Усідання грунтів

Усідання ґрунту називається зменшення його об'єму у результаті видалення води при висиханні або при прояві фізико-хімічних процесів (синерезис, осмос). Усідання ґрунту може відбуватися як в субаеральних умовах при випаровуванні вологи під дією різниці температур (різниці відносної вологості), так і в субаквальних умовах під дією різниці концентрації електролітів і при старінні колоїдів. Здібність до усідання мають тільки вологі ґрунти.

В результаті усідання ґрунт стає щільнішим і після висиха­ння - навіть твердим. Ущільнення глинястого ґрунту при усадці збільшує його опір деформаціям, але наявність тріщин, звичайно супроводжуючих усідання підвищує водопроникність і зменшує стійкість поверхневого шару ґрунту у схилах.

В умовах сухого і жаркого клімату усадкові клиновидні тріщини розбивають масив глинястого ґрунту на глибину до 5 - 7 м і більш. У максимальному ступені усідання виявляється у глинах. Проте значення процесів усідання у мергелів і глинястих вапняках істотно оскільки розтріскування породи при висиха­нні сприяє створенню на схилах рихлих рухомих осипів, що живлять грязекам'яні потоки (селі).

При усіданні відбувається не тільки механічне ущільнення і роз­тріскування породи, але і перерозподіл розчинних хімічних компонентів ґрунту. Ділянки породи, через які відбувається випаровування води при усіданні, збагачуються солями і можуть набрати у ряді випадків підвищену міцність і водостійкість, але при кристалізації таких мінералів, як гіпс, навпаки, можуть додатково дезинтегруватися. Отже усідання - складний фізико-хімі­чний процес, що приводить до зміни характеру структурних зв’я­зків між частинками.

Усідання глинястого водонасиченого ґрунту протікає в три стадії: сповільненої, нормальної і залишкової усадки. На першій з них вода випаровується в основному з крупних пір, нерідко армованих цементуючими речовинами, а загальне зменшення об'єму ґрунту менше об'єму води, що випаровувалася. На стадії нормальної усадки зменшення об'єму глинястого ґрунту максимально і приблизно рівно об'єму води, що випаровувалася. При подальшому висиханні зміна об'єму значно відстає від зміни об'єму вологи, що випаровувалася. Починається стадія залишкової усадки, величина якої не перевищує 2 - 3% від загального усідання. Вона протікає по-різному у глин різної структури і мінерального складу.

Зміна об'єму ґрунту при усідання відбувається під сукупною дією цілого ряду сил: капілярного тиску, тяжіння і відштовхування між частинками, пружного розширення структурного каркасу після зняття капілярного тиску і видалення­ зв'язаної води, тиску кристалізації з'єднань з порового розчину в осад.

Величину усідання ґрунту прийнято характеризувати по зменшенню лінійних розмірів або об'єму зразка. Величина відносної лінійної і об'ємної усадок вимірюється у відсотках. Об'ємне усідання для однорідного ізотропного ґрунту приблизно у три рази більше лінійного усідання.

Величина усідання залежить від дисперсності, хіміко-мі­нерального складу, вологості, пористості, структури і текстури ґрунту.

Найбільш яскраво ця властивість виражена у глинястих порід. Його величи­на залежить від вмісту в ґрунті глинястих частинок: чим вище дис­персність глинястого ґрунту, тим більше усідання за інших рівних умов. Але для лесових ґрунтів непорушеної структури залежність величини усідання від вмісту глинястих частинок відсутня.

Величина усідання глинястих порід у сильному ступені залежить від початкової пористості і вологості: чим вище початкова пористість, тим більше усідання.

Міцність структурних зв'язків впливає на усідання. Вплив структурних зв'язків на властивості ґрунту пояснюється тим, що природні структурні зв'язки перешкоджають ущільненню ґрунту при усадці, тоді як в пасті частинки можуть вільніше переміщатися і утворювати більш щільні структури. Із збільшенням густини ґрунту порушеного складання і наближенням її до густини на межі усідання структурні зв'язки, що знов формуються, перешкоджають подальшому усіданню.

В процесі усідання глинястих відкладень і порід звичайно утворюються тріщини. Причиною їх появи є розвиток напруг, що перевищують міцність структурних зв'язків між частинками і агрегатами унаслідок нерівномірного розподілу вологості і температури. При цьому у центрі тіла виникають стискаючі, а на поверх­ні - розтягуючи напруги. Усідання вологого глинястого ґрунту при рівномірному розподілі вологи і температури не викликає яких-небудь розривів сплошности. Явище локального руйнування від дії напруг спостерігається у разі висихання поверхні глини у природних умовах.