Грунты с неустойчивыми структурными связями

Среди грунтов, на которых возводятся сооружения, есть несколько характерных типов особенных образований. Строительство на этих грунтах сопряжено со специальными мероприятиями, несоблюдение которых часто приводит к авариям. К таким грунтам обычно относят мерзлые, вечномерзлые, лёссовые, набухающие, слабые водонасыщенные глинистые, засоленные, насыпные грунты, торфы и заторфованные грунты.

При всем различии условий природного образования и последующего изменения этим грунтам свойственна общая особенность - способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эксплуатации сооружений воздействиях при нагревании - для одних, увлажнении - для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии - для третьих типов грунтов. Это, в свою очередь, приводит также к резкому уменьшению прочности и несущей способности оснований, развитию недопустимых для сооружения деформаций.

Причины указанных процессов заключаются в том, что структурные связи в этих грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению при определенных воздействиях факторами. По этой причине такие грунты часто называют структурно-неустойчивыми грунтами. Рассмотрим происхождение, состав, структурно-текстурные особенности, распространение и формы залегания структурно-неустойчивых грунтов.

Мерзлые и вечномерзлые грунты. На всей территории России температура воздуха зимой опускается ниже 0°С. В результате длительного воздействия отрицательной температуры происходит промерзание грунта с поверхности на некоторую глубину. В весенне-летнее время, с установлением положительной температуры воздуха, промерзший слой грунта оттаивает. В обширных районах Севера и Северо-Востока на территории, составляющей более половины страны, среднегодовая температура воздуха оказывается ниже 0 ⁰С. В теплое время года грунты здесь оттаивают на небольшую глубину (порядка 1...3 м), а ниже (до 30...500 м и более) находятся постоянно в мерзлом состоянии.

При температуре ниже 0° С, как правило, грунты резко меняют свои свойства в связи с переходом части поровой воды в твердую фазу - лед.

Грунты всех видов относятся к мерзлым, в случае если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грунты называют вечномерзлыми, в случае если в условиях природного залегания они находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение многих (трех и более) лет.

Мерзлые и вечномерзлые грунты из-за наличия в них льдоцементных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми природными образованиями. При этом при повышении или понижении температуры (даже в области отрицательных значений температуры) за счёт оттаивания части льда или замерзания части поровой воды их свойства могут изменяться. При оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние.

Строение верхних зон земной коры зависит от географо-климатических условий района. На большей части европейской территории России (исключая северо-восточную оконечность Кольского полуострова), в Западной Сибири и Средней Азии толща грунта в зимнее время промерзает на некоторую глубину, а летом оттаивает. Ниже расположен постоянно талый грунт. Попеременно замерзающий и оттаивающий слой грунта называют деятельным слоем. На Севере и в Восточной Сибири ниже деятельного слоя располагается толща вечномерзлого грунта. В этом случае поверхностный слой грунта͵ промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют слоем сезонного оттаивания, в случае если он зимой сливается с вечномерзлым грунтом и сезонного промерзания, в случае если между ним и кровлей вечной мерзлоты находится слой талого грунта.

Мерзлые и вечномерзлые грунты отличаются характерной морозной текстурой, обусловленной содержанием и расположением в них льда. Различают массивную (слитную) текстуру, когда лед содержится только в порах грунта и видимые прослойки льда отсутствуют. Такая текстура свойственна крупнообломочным и песчаным, а также маловлажным глинистым грунтам. В случае слоистой текстуры, характерной для глинистых грунтов, промерзающих при подтоке воды, лед содержится в грунте в виде удлиненных включений (шлиров) различных размеров, ориентированных примерно в одном направлении. Сетчатая (ячеистая) текстура свойственна сильно обводненным глинистым и скальным грунтам. Шлиры и прослои льда в данном случае образуют сложную сеть, толщина их может измеряться сантиметрами. Наконец, в рыхлых крупнообломочных грунтах может формироваться корковая текстура, когда лед образует корки и линзы вокруг частиц и агрегатов грунта. Толща вечномерзлых грунтов может содержать также и более крупные включения льда (жилы, прослои, линзы), достигающие десятков сантиметров и даже метров.

Содержание льда в мерзлых и вечномерзлых грунтах, а следовательно, и их состояние по прочности и деформируемости существенным образом зависят от изменения внешних воздействий, прежде всего отрицательной температуры. Это важнейшее качество мерзлых названо принципом равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах.

Лёссовые грунты (лёссы). Около 14% континентальной части бывшего СССР покрыто лёссовыми грунтами. Они распространены на значительной части юга европейской территории, включая Украину, Центральный Крым, Северный Кавказ, Поволжье, часть Беларуси. Большие территории Средней Азии, Закавказья, Западной Сибири также покрыты лёссовыми грунтами. Равнинные территории многих стран Азии с сухим климатом (Монголии, Китай Афганистана, Ирана и др.) сложены лёссовыми грунтами. Мощность лёссового покрова колеблется от нескольких метров до 20..30 м, а иногда и более.

Лёссовые грунты по составу, структурно-текстурным признакам, а, следовательно, и механическим свойствам существенно отличаются от всех других горных пород. Твердые частицы лёссовых грунтов на 80...90% состоят из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По крупности до 60%, иногда даже до 90% твердых частиц относится к пылеватым, остальные — к глинистым, лишь малая часть — к песчаным фракциям. По гранулометрическому ставу и числу пластичности лёссовые грунты относятся к пылеватым супесям и суглинкам. Влажность лёссовых грунтов в естественном состоянии обычно не превышает 0,08...0,16, степень влажности Sr <0,5.

Набухающие грунты. Набухающие грунты встречаются в районах Поволжья, Закавказья, Казахстана и Крыма, они широко распространены в Египте, ЮАР, США и других странах. В Индии, к примеру, около 30% территории сложено набухающими грунтами. К набухающим относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит, олинит, гидрослюды) и малой влажностью в природном состоянии.

Значения влажности на пределе текучести и числа пластичности у этих грунтов весьма велики. Поступающая в набухающие грунты влага адсорбируется поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объёма грунта. Часть воды проникает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к увеличению объёма грунта. При уменьшении влажности набухающих грунтов возникает их усадка, приводящая к объёмным деформациям.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты. К ним обычно относятся илы, ленточные глины, водонасыщенные лёссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов. Характерными особенностями таких грунтов являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и большая деформируемость.

Илами называют водонасыщенные современные осадки водоемов (морские, лагунные, озерные), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влажность на границе текучести. Пресноводный ил называют сапропелем.

По составу илы отличаются от других глинистых грунтов повышенным содержанием органических остатков, которые постепенно разлагаются в процессе естественного упрочнения породы, на что при отсутствии доступа кислорода уходят многие годы. Органические остатки и экологически связанные с ними и с водой в единую систему микроорганизмы придают илам особые свойства. В илах, как и в других глинистых отложениях, преобладают глинистая и пылеватая фракции, может присутствовать мелкопесчаная фракция.

Ленточные глины (ленточные отложения) — это толща грунтов, состоящая из близкого к горизонтальному переслаивания тонких и тончайших (несколько сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и глины. Суммарная мощность ленточных отложений может достигать 10 м и более. Ленточные отложения широко распространены на северо-западе европейской части России, они образовались в приледниковых озерах во время оледенения Русской равнины. В категорию особых грунтов ленточные глины попадают из-за своеобразия текстуры, из-за тонкой горизонтальной слоистости, которая создает особые свойства описываемых отложений. Слоистая текстура вызывает анизотропию свойств. Очевидно, что водопроницаемость толщи вдоль прослоев значительно больше, чем в поперечном направлении.

Торф и заторфованные грунты.Торфяные образования широко развиты в низинных болотно-лесных, тундровых, таежных районах (Белоруссия, Прибалтика, Север, Западная Сибирь). Внешне торф представляет собой землистую массу от светло-бурого до темно-бурого и черного цвета͵ пластичную во влажном состоянии.

Торфом называют органические отложения, не менее чем 50% сухой массы состоящие из остатков растительности. Стебли трав и камыша, ветви кустарников, стволы и корневища деревьев находятся в торфе в разных соотношениях и в различной степей разложения, что делает торфы неоднородными даже в пределах одной залежи. Еще более разнообразны торфы различных болот.

Торфы относятся к наиболее сжимаемым грунтам. Из-за большого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сложенных торфом или содержащих включения заторфованных грунтов, бывают значительны и затухают очень медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов также крайне невелика. По этой причине напластования, содержащие заторфованные грунты, относятся к наихудшим типам оснований сооружений.

Засоленные грунты.Засоленные грунты широко представлены в Казахстане, Средней Азии, Азербайджане, на Украине и в северных приморских районах.

К этой разновидности относятся крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, содержащие определенное количество легко- и среднерастворимых солей.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связана с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия). Разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого неравномерных просадок. Фильтрующая вода становится раствором вымываемых солей и приобретает агрессивность по отношению к металлу и бетону.

Заключение

В данной работе мной были дано понятие грунтов, а также рассмотрены структурные связи грунтов и грунты с неустойчивыми структурными связями.