ПРОСАДНОГО ЛЕСОВИХ І ЛЕСОВИДНИХ ГРУНТІВ

Просадочностью грунту називається його здатність ущільнюватися при замочуванні водою в умовах компресії (т. Е. Без можливості бокового розширення) при збереженні діючої навантаження. Остання реально зростає за рахунок ваги води, яка проникає в зразок або товщу грунту.

Просадного грунтів може проявлятися при замочуванні ґрунту і відсутності зовнішнього тиску, однак найчастіше вона визначається при замочуванні грунтів під навантаженням. При вишукуваннях грунтові умови майданчиків, підтоплення з урахуванням можливих грунтами, в залежності від можливості прояву просідання грунтів від власної ваги підрозділяють на два типи:

  • • / тип - ґрунтові умови, в яких можлива в основному просадка ґрунтів від зовнішнього навантаження , а просадка ґрунтів від власної ваги відсутня або не перевищує 5 см;
  • II тип - ґрунтові умови, в яких крім просідання грунтів від зовнішнього навантаження можлива їх просадка від власної ваги і розмір її перевищує 5 см.

Просадного грунтів характеризують такі показники, як коефіцієнт відносної деформації просідання c s i, коефіцієнт макропористі Ле. початковий тиск просідання ра. МПа. початкова вологість просадки w s t, д. од., що визначаються за результатами випробувань зразків грунту непорушеного складу в лабораторних умовах методом компресійних випробувань (див. п. 8.3.2.1) [30, 17].

Відносна просідання e s j обчислюється за формулою

де Δ ha - додаткове стиснення (просадка) грунту в результаті замочування; Дhп - початкова висота зразка грунту.

За величиною коефіцієнта відносної деформації просідання (£ ■., /) Судять про схильність грунту до просідання: згідно [34], якщо є а> 0,01, то такий грунт вважається присадним , і навпаки (табл. 2.3). При визначенні показників просідання слід обов'язково вказувати величину передбачуваного тиску на основу з просадних грунтів і глибину залягання випробуваного шару для приблизної оцінки величини побутового тиску.

Просадочностио мають недоуплотненія (мають високу пористість), маловологі дисперсні грунти з Неводостійка структурними зв'язками (перехідні контакти між частками): грунту, вивtтрелие глини, засолені піски, вулканічні попелу, штучні грунти [111]. Цим умовам в найбільшій мірі відповідають лесові і лесовидні грунти, які, як правило, завжди володіють тією або іншою просадочностио.

Леси - це молоді відкладення четвертинної системи, що виникли в недавнє геологічний час (не більше 1,5 млн років тому). Лесові ґрунти зустрічаються на всіх континентах, але найбільш широко вони поширені в Європі, Азії та Америці (рис. 5.13). За умовами залягання леси повсюдно розташовуються у вигляді покривів, потужністю від декількох сантиметрів до десятків і сотень метрів.

На території країн СНД площа, вкрита лесових породами, становить близько 34% континентальної частини СНД. Леси лежать суцільним покривом на більшій частині України (до 80%) і півдні європейської частини Росії, в Середній Азії, Східної, Південної та Західної Сибіру, зустрічаються в Білорусії, Поволжі, Якутії та інших районах (рис. 5.14). У північних районах, де лесові відкладення розвинені лише на окремих ділянках, їх потужність складає 5 ... 10 м, а в районах суцільною поширення (на півдні України, Північному Кавказі) вона підвищується до 30 ... 50 м і більше. Найпотужніші розрізи лесових порід (до 100 ... 200 м) виявлені в міжгірських западинах на території Середньої Азії [107].

Карта поширення лесових порід

Мал. 5.13. Карта поширення лесових порід

Лесові відкладення покривають суцільним плащем великі плоскі вододіли, їх схили, поверхня високих терас. У зоні впливу річкових долин і морського узбережжя вони прорізані численними балками і ярами. Останні мають різкі форми: вузьке дно і високі обривисті схили висотою до 5 ... 6 м, іноді більше. На поверхні вододілів розвинені просадочні поди і блюдця, розміри яких змінюються від декількох метрів до перших десятків метрів, глибина - від часток метра до Г..2 метрів. Поди представлені великими зниженнями шириною в сотні метрів або кілометрів з глибиною, що не перевищує перших метрів. Дно подів складено непросадних важкими суглинками або глинами. У підготовчий період пошуків орієнтовний поширення лесових порід разною віку, генезису і просідання рекомендується визначати по карті (рис. 5.14) В.С. Бикової і С.А. Пастушкових [72].

Карта розвитку лесових порід па території СНД (72J

Мал. 5.14. Карта розвитку лесових порід па території СНД (72J:

I -леси і лесові породи великої потужності (більше Юм), що проявляють просідання під власною вагою: 2 - лесові породи і леси потужні (понад 5 м), що проявляють значні просадочні деформації при додаткових навантаженнях: 3 - лесові породи середньої потужності (5 .. .Юм), що проявляють незначні просадочні деформації при додаткових навантаженнях: 4 - лесові породи переривчастого поширення (3 ... 5 м), непросадних; 5 - лесові породи переривчастого і острівного поширення мінливою потужності, неоднорідні по просідання: 6 - лесовидні і покривні глинисті породи острівної і переривчастого поширення, малопотужні, непросадних: 7 - мерзлі покривні пилуваті глинисті породи, що проявляють термопросадкі в результаті відтавання

При інженерно-геологічні вишукування слід враховувати, що в залежності від віку, походження та фациальной приналежності будова і умови залягання лесових товщ різні [85]:

  • еолові лесові породи пламеобразно перекривають підвищені елементи рельєфу: плато, вододіли, високі тераси, різні породи, вінчаючи собою розріз четвертинних відкладень. Кордон золових і підстилаючих відкладень добре виражена. Потужності золових товщ різні, будова їх монотонне, витримане, частіше неслоістимі. Пористість підвищена, макропори округлі або сочевицеподібні;
  • делювіальні лесові породи вінчають четвертинний розріз і залягають на схилах, утворюють шлейфи, іноді перекривають надзаплавні тераси річкових долин, невеликі древні конуси виносу (сухі дельти), заповнюють яри. Межі цих товщ з подстилающими лесових породами не завжди простежуються. Потужності товщ різні. У делювіальних лесових породах присутні прошарки гумусированного матеріалу, піску, іноді гравію, дресви і щебеню, виражена шаруватість. Пористість різна, макропори щелевидной форми;
  • пролювіальние лесові породи складають передгірні рівнини, предсклоновие пояса, шлейфи, конуси виносу, причому найбільш тонкі по гранулометричному складу різниці відкладаються на периферії цих елементів рельєфу, а більш грубі - ближче до гір. Потужності товщ пролювій можуть досягати 100 м і більше. Кордон пролювій з подстилающими корінними і алювіальними породами різного складу зазвичай виражена. Пролювіальние товщі неслоістимі або складені потужними пластами, в підошві товщі часто простежується тонка шаруватість, є включення, прошарки і лінзи піску, гравію, гальки, щебеню. Пористість підвищена, макропори частіше округлої форми;
  • алювіальні лесові породи складають надзаплавні тераси річкових долин. Потужність товщ досягає 20 м і більше. Кордон лесового аллювия з подстилающими пісками, гравієм, галечниками, корінними породами яскраво виражена, але в підошві аллювиальной товщі є лінзи і прошарки нелесових порід. Товщі шаруватого і іноді містять прошарки піску і гравію. Пористість знижена, макропори щілиновидні і округлі;
  • флювіогляціальние і озерні лесові породи залягають по периферії зандро- вих полів в товщах невеликої потужності, зазвичай шаруватих з прошарками піску, перехід до підстильним породам поступовий. Пористість знижена, макропори щілиновидні;
  • елювіальний лесові породи розвинені на невеликих плато, верхніх частинах пологих схилів на обмежених площах, захищених від денудації і привноса матеріалу. Ці породи складають товщі невеликої потужності. Породи неслоістимі і поступово переходять в підстилають материнські відкладення, причому в лесових покриві з'являється все більше включень кам'яного лесу, алевроліту, аргілітів, мергелю, вапняку та ін. Потужності товщ від часток метра до декількох метрів. Пористість частіше підвищена, форма макропор різна.

Число горизонтів лесів не постійно (в південних районах території Російської Федерації в розрізі присутній від 3 до 6 горизонтів лесів). Як правило, просідання зменшується зверху вниз по розрізу. Могутні товщі лесових грунтів мають циклічний будова: кілька горизонтів лесів перешаровуються з похованими грунтами і непросадних лесових грунтами (лесовидними суглинками). Останні, на відміну від лесів, мають більш темний бурий або червонувато-бурий колір і нерідко виразну слоистость.

Спільними для всіх лесових порід є: столбчато-призматична окремість; підвищена міцність структурних (цементаційних, кристалізаційних, конденсаційних) зв'язків, що зберігається у повітряно-сухої породи; водонеустойчівость структурних зв'язків (особливо у лесів); легкі розмокання і размиваємость; пиломості повітряно-сухих і налипання зволожених лесових грунтів на робочі органи і ходові частини землерийних машин і транспортних засобів.

Головними мінералами лесів є кварц і польові шпати. У лесових породах областей передгір'їв і схилів гір вони містяться приблизно в рівних кількостях, а в породах низинних рівнин кварц завжди переважає над нульової шпагами. В тонко дисперсних фракціях лесів зустрічаються гідрослюд, кварц, кальцит, монтморилоніт, каолініт. В межах низинних рівнин в глинистої фракції лесових порід головною складовою частиною є гідрослюд, монтморилоніт, каолініт; в гірських і передгірних областях - гідрослюд і кварц.

Типові леси відрізняються від інших лесових порід характерними особливостями: переважної світло-палевого забарвленням; супіщаним, легко-або середньосуглинистих складом з переважанням елементарних пилуватих зерен (типові однорідні алеврити); пористістю загальної 40 ... 50% і більше, активної 15 ... 20%; вираженою макропористістю; повітряно-сухим станом; просадочностью від власної ваги при замочуванні.

Лесовидні породи від типових лесів можна відрізнити за забарвленням: світло-палевого, світло-жовтого, жовтувато-бурого і ін. При Пилувато складі в цих породах поряд з елементарними алеврітовимі зернами присутні в різних кількостях мікроагрегати глинистих частинок (помилкова пил). Загальна пористість лесовидних порід зазвичай менше 45%, активна - 15%. Велика частина лесовидних порід просадними тільки при додатку зовнішнього тиску, а деякі їх різновиди непросадних. Деякі лесовидні породи природно зволожені і навіть можуть бути водонасищенyимі.

Одним з основних ознак, але котjрому відрізняють лес від лесовидних порід, є гранулометричний склад. По ньому леси відносять до пилувата групі порід з вмістом піщаних фракцій 0,4 ... 33%, пилуватих 50 ... 79%, глинистих 2 ... 47%. Лесовидні грунти можуть мати змішану фупп дисперсності з вмістом піщаних фракцій З ... 46%, пилуватих 18 ... 50% і глинистих 11 ... 49%. Леси мають більш однорідний гранулометричнийсклад, ніж лесовидні породи. Ставлення змісту крупнопилеватой частинок (0,05 ... 0,01 мм) до мелкопилеватим (0,01 ... 0,002 мм) у лесів становить 1,5 ... 2 і більше, в лесовидних породах воно близьке до одиниці. Вони більш глинисті, характеризуються відносно низькою пористістю (до 40%) і значно більш високою щільністю (1,8 ... 1,9 г / см 3 ).

Леси володіють високою для глинистих ґрунтів водопроникність і різкою анізотропією. Коефіцієнт фільтрації коливається в широких межах (10 10 см / с), в середньому він дорівнює 10 3 см / с (1 м / сут). Коефіцієнт фільтрації в вертикальному напрямку вимірюється кількома м / сут, в горизонтальному - десятими або сотими м / сут. Це призводить до того, що при інфільтрації води з поверхні утворюються купола ґрунтових вод, повільно розтікаються в сторони. В межах міст, де є численні джерела замочування, в товщі лесових грунтів формується техногенний горизонт грунтових вод, швидко підвищує свій рівень (до 0,5 ... 1 м в рік), що сприяє інтенсивному розвитку просадних явищ. У районах, де леси збагачені гіпсом, що формуються грунтові води агресивні по відношенню до бетону на портландцементі [85]. Одним з основних факторів, що визначають просідання цих порід, є їх специфічна структура, тобто розмір і форма твердих (мінеральних) структурних елементів, будова порового простору і особливий характер структурних зв'язків (взаємодій між частинками). Для більшості лесів характерний високий, іноді до 15 ... 20%, вміст карбонатів, переважно кальциту (СаСОз), і присутність до 3 ... 5% розчинних солей (сульфати, хлориди). Важливою особливістю структури лесових порід є її висока агрегованість, коли пилуваті і глинисті частинки утворюють ізометричні агрегати з розмірами 0,01 ... 0,25 мм. Специфічна будова мають піщані і великі пиловані зерна, названі глобулами. Як показали спостереження в растровому електронному мікроскопі (РЕМ), в центрі глобули розміщується ядро, що складається з окремих кварцових мікроблоків. Поверх ядра розташовується дірчаста оболонка кальциту, яка в свою чергу перекривається глинистої "сорочкою", просоченої оксидами заліза і аморфним кремнеземом (SiCb).

Для лесових грунтів просадчиків зазвичай характерні: висока пилуватий (вміст часток розміром 0,05 ... 0,005 мм більше 50% при кількості частинок розміром менше 0,005 мм, як правило, не більше 10 ... 15%); низькі значення числа пластичності (менше 12); низька щільність скелета грунту (переважно менше 1,5 г / см 3 ); підвищена пористість (більше 45%); невисока природна вологість (як правило, менш межі розкочування); засоленість; світле забарвлення (від палевого до охристого кольору); здатність в маловлажних змозі тримати вертикальні укоси; циклічність будови товщ. Головна відмінна риса лесів - наявність макропор розміром 1 ... 3 мм, помітних неозброєним оком. Макропори мають форму звивистих вертикальних канальців [107].

Пористість грунтах лесів зазвичай змінюється від 42 до 46%. При цьому норовить простір лесових порід характеризується присутністю трьох типів пір: макропор, між зернових і межагрегатних мікропор, внутріагрегатних мікропор. Найбільш великими є макропори, що мають трубчасту форму з діаметром 0,05 ... 0,5 мм. Вони зазвичай добре видно неозброєним оком і пронизують лесових породу в вертикальному напрямку. Макропори є одним з найважливіших діагностичних ознак структури грунтах лесів. Деякі вчені вважають, що макропори - сліди коренів рослин. Однак зараз існує думка, що велика частина макропор є своєрідні магістральні канали, що утворилися в результаті переважно вертикальної міграції води і газів. Про це свідчить наявність значних виділень солей на стінках макропор [107].

Найбільш важливими в структурі лесових шмагав є межагрегатной і міжзернові мікропори. Ці мікропори зазвичай мають ізометричні форму, а їх розмір змінюється від 0,008 до 0,05 мм. Електронно-мікроскопічні дослідження показують, що подібні мікропори складають основну частину порового простору і відносяться до категорії так званої активної пористості, яка і визначає величину просідання деформації породи. Підпорядковану роль в норовом просторі грають більш дрібні внугріагрегатние мікропори з розміром менше 0,008 мм.

Основну роль в структурному зчепленні (зв'язності) лесів грають контакти між зернами і глинисто-пилуватими агрегатами, що здійснюються через глинисті "сорочки" або глинисті "містки". У фізико-хімічної механіки дисперсних систем такі контакти називаються перехідними, міцність їх обумовлена іонно електростатичними силами. При зволоженні вони швидко втрачають міцність і трансформуються в слабопрочние коагуляційні контакти. Крім перехідних, в грунтах лесових породах можуть також існувати фазові контакти цементаційна типу, зумовлені виділенням легко розчинних солей в приконтактних зонах при випаровуванні норовить вологи [107].

Для дослідження структури лесових грунтів рекомендуються мікроагрегатний і дисперсний способи підготовки проби грунту до аналізу. Після проведення мікроагрегатного і дисперсного аналізів визначають коефіцієнт агрегированности До л по І.М. Горькову:

де S ' <5 мк - вміст часток <5 мк в глинистої породи при дисперсної підготовці зразка до аналізу; S " <5 мк - то ж, при мікроагрегатний підготовці.

За величиною До л встановлюють тип структурних зв'язків:

  • • стабілізаційний і коагуляційний А, Б ( K a = 1 ... 1,2);
  • • пластифікований-коагуляційний В ( К л = 1,3 .. .2);
  • • коагуляційному-цементаційний Г1 а = 2 .. .20);
  • • цементаційні Г2 а > 20).

Для лесів і лесовидних порід характерні структурні зв'язки типів В і Г, т. Е. До л > 1,3, так як при дисперсному способі підготовки до аналізу значно підвищується вміст глинистих частинок за рахунок руйнування агрегатів пилуватого розміру.

До сих пір немає єдиної думки про природу просідання лесових порід. Різні дослідники висували досить багато припущень і гіпотез з приводу виникнення цього специфічного і невід'ємного властивості лесів. Аналіз існуючих думок показує, що все гіпотези, що пояснюють просідання лесових порід, можна розділити на дві групи.

У першій групі просідання лесів розглядається як їх первинне властивість, тобто коли просідання формується безпосередньо в ході накопичення і початковій стадії перетворення мінерального пилуватого осаду. Одну з причин виникнення просідання Н.Я. Денисов бачив у формуванні недоуплотненія лесових товщ внаслідок поховання пухкої, зцементованою легкорозчинні речовинами маси пилуватих частинок під поступово що накопичуються шарами верхніх порід. Слабкими місцями цієї гіпотези було те, що вона нс могла пояснити збереження грунтах властивостей протягом тривалого часу, факти збільшення просідання під горизонтами похованих ґрунтів і стрибкоподібне зміна просідання лесових порід по розрізу кожного накопиченого шару.

Гіпотези другої групи характеризують просідання як новостворене властивість породи, тобто коли просідання купується після накопичення пилуватого осаду. Найбільшого поширення тут отримала гіпотеза мерзлотного вивітрювання.

На думку Є.М. Сергєєва і А.В. Минервин, формування просідання відбувається в результаті циклічного сезонного промерзання-відтавання вихідних пилуватих порід і видалення з них льоду за допомогою сублімації - випаровування льоду, минаючи рідкий стан. В ході промерзання норовить вода перетворюється в лід, разуплотняет породу і сприяє дробленню більших піщаних зерен до розміру пилуватих частинок. Дана гіпотеза формування просідання підтверджується лабораторним і натурних моделюванням. Вона добре пояснює поширення і характер залягання лесів в просторі і розрізі, стрибкоподібне зміна просідання лесових порід по розрізу, збільшення просідання під горизонтами похованих ґрунтів, поява просідання в умовах суворого клімату плейстоценовой епохи розвитку Землі (приблизно від 10 до 800 тисяч років тому) - періоду часу, коли спостерігалося найбільш інтенсивне накопичення лесових товщ [85].

Розглядаючи механізм просідання лесів, можна сказати, що вона обумовлюється руйнуванням і ослабленням структурних зв'язків в грунті (за рахунок зволоження) і його подальшим доуплотненіе під дією власної ваги і (або) зовнішнього навантаження. У процесі осідання істотно змінюється мікростроенія грунту: великі агрегати розпадаються, великі макропори змикаються, частинки формують більш щільну упаковку і т. Д.

Присутність оборотних перехідних контактів підвищує просідання завдяки їх швидкого руйнування при зволоженні грунту. Наявність же міцніших фазових контактів цементаційна типу може призводити до збільшення міцності всієї структури і відповідно зниження величини просідання. Для подібних грунтів характерні повільні послепросадочние деформації, які у багато разів можуть перевищити величину самої просадки при короткочасному зволоженні. І. нарешті, при розгляді процесу просідання лесів не можна не взяти до уваги присутність в цих грунтах сил поверхневого натягу води, так званих капілярних сил, про які часто забувають багато вчених. Точні експериментальні дослідження показують, що по мерс заповнення пір водою, тобто при зникненні капілярних менісків, що зв'язують окремі зерна і агрегати, при зволоженні лесу відбувається занадто швидке і різке зниження його міцності, яке не можна пояснити тільки руйнуванням перехідних і цементаційних контактів. Сили поверхневого натягу води цілком можуть грати роль своєрідного спускового механізму, який зумовлює початок процесу осідання.

Підводячи підсумок, можна сказати, що в основі просадки лежать два взаємопов'язаних явища, що розвиваються при зволоженні лесів і впливі зовнішнього навантаження. По-перше, відбувається різке зниження енергії взаємодії структурних елементів на контактах, втрата структурної міцності внаслідок перетворення перехідних контактів в коагуляційні і зникнення сил поверхневого натягу. По-друге, відбувається розпад глинисто-пилуватих агрегатів, супроводжуваний формуванням своєрідних дефектів в мікроструктурі лесів, і виникають умови для взаємного зміщення структурних елементів. В результаті просадки відбувається змикання частини макропор і більшості великих межагрегатних мікропор і формується більш щільна і однорідна мікроструктура [107].

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >