Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Геологический факультет

Кафедра инженерной геологии и охраны недр

Дипломная работа

Влияние состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение

Пермь 2014



Оглавление

Введение

Глава 1. Состояние изученности вопроса

1.1 Влияние морозного пучения на устойчивость инженерных сооружений

1.2 Механизм формирования морозного пучения

Глава 2. Состав и строение глинистых грунтов

2.1 Каолинитовые глины

2.2 Монтмориллонитовые глины

2.3 Гидрослюдистые глины

Глава 3. Методика исследований

3.1 Гранулометрический состав

3.2 Определение плотности методом взвешивания в воде

3.3 Определение естественной влажности

3.4 Влажность на пределе раскатывания и текучести

3.5 Минеральный состав

3.6 Морозное пучение

Глава 4. Результаты исследований

4.1 Минеральный состав

4.2 Морозное пучение

Список литературы

Введение

В планах развития народного хозяйства страны большую роль играет освоение районов Крайнего Севера и Сибири. В связи с освоением месторождений нефти и газа, расширением строительства в этих районах на грунтах, подверженных глубокому сезонному промерзанию, особенно остро возникают проблемы, связанные с морозным пучением, что является одним из важнейших фактором, определяющим устойчивость инженерных сооружений.

Цель работы - выявление влияния состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение.

Задачи:

· определить минеральный состав глин;

· выявить закономерности деформации морозного пучения в зависимости от влажности глин;

· выявить закономерности деформации морозного пучения в зависимости от плотности и пористости глин.

Объект исследования:

· Глина бентонитовая;

· Глина монтмориллонитовая;

· Глина каолинитовая.



Глава 1. Состояние изученности вопроса

1.1 Влияние морозного пучения на устойчивость инженерных сооружений

Под морозным пучением грунтов подразумевается их свойство при определенном сочетании гидротермических условий в пределах сезонного промерзания увеличиваться в объеме под действием сил кристаллизации льда при фазовых превращениях, содержащейся в грунте дополнительно воды к кристаллам льда. Внешнее проявление этого свойства грунтов заключается в неравномерном поднятии дневной поверхности за счет образования ледяных включений.

Оценку грунтов по их морозоопасности впервые дал Ч.А. Гогентоглер, который за основной признак пучинистости грунтов принял суммарное содержание в составе грунта мелких фракций диаметром менее 0,1 мм. По Гогентоглеру, все рыхлые отложения будут морозоопасными, если в составе грунта содержится более 10 % частиц диаметром меньше 0,1 мм. Поскольку песчаные грунты в слое сезонного промерзания обычно более диспергированы в результате почвообразовательных процессов, то по классификации Гогентоглера все песчаные почвы и грунты могут быть отнесены к пучинистым.

В 30 % крупнообломочных грунтов, содержащих в своем составе мелкие фракции диаметром менее 0,1 мм в виде заполнителя, при замерзании в водонасыщенном состоянии не появлялось деформаций морозного пучения.

Специалисты-дорожники также за основной классификационный признак принимают гранулометрический состав, но такое подразделение на две группы (пучинистые и непучинистые) не отвечает запросам практики фундаментостроения.

В конце 50-х была предложена классификация грунтов по степени морозной пучинистости по двум основным критериям - гранулометрическому составу грунта и величине вспучивания поверхности грунта при полном промерзании его в природных условиях. Кроме этих двух факторов, учитывалось состояние грунта после его оттаивания, что имеет значение для устойчивости фундаментов зданий и сооружений. В данной классификации принималась во внимание также глубина промерзания грунтов, поскольку величина вспучивания относилась к максимальному значению промерзания грунта в течение всей зимы.

Действующая классификация грунтов по степени морозной пучинистости основана на влиянии деформаций замерзающего грунта на устойчивость фундаментов зданий и сооружений. По этой классификации грунты в их природном сложении подразделялись на непучинистые, малопучинистые, среднепучинистые и очень пучинистые. Классификация относилась только к грунтам при полном их водонасыщении, но, как известно, все виды грунтов в сухом или малоувлажненном состоянии при промерзании не обнаруживают внешних признаков морозного пучения, и поэтому возникла потребность ориентироваться при классификации грунтов на их природную влажность перед промерзанием и условия увлажнения.

В зависимости от гранулометрического состава, природной влажности, глубины залегания уровня грунтовых вод и расчетной глубины промерзания грунтов грунты подразделяются на пять разновидностей: сильнопучинистые, среднепучинистые, слабопучинистые, условно непучинистые и непучинистые. Так, пылеватые супеси, суглинки и пылеватые глины пластичной консистенции при расположении уровня грунтовых вод в слое сезонного промерзания или ниже нормативной глубины промерзания в супесях не более чем на 0,5 м, а в суглинках и глинах не более 1 м относятся к наиболее морозоопасным сильнопучинистым грунтам.

К среднепучинистым относятся пески пылевые, супеси, суглинки и глины с природной влажностью, превышающей показатель консистенции 0,5, при стоянии уровня грунтовых вод, превышающем нормативную глубину промерзания в пылеватых песках не более чем на 0,6 м, в супесях - не более чем на 1 м, в суглинках - не более чем на 1,5 м и в глинах - не более чем на 2 м, по степени морозной пучинистости.

К группе слабопучинистых грунтов относятся пески мелкие и пылеватые, супеси, суглинки и глины тугопластичной консистенции, а также крупноблочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем при стоянии уровня грунтовых вод, превышающем нормативную глубину промерзания: в пылеватых и мелкозернистых песках не более чем на 1 м, в супесях - не более чем на 1,5 м, в суглинках (с числом пластичности меньше 0,12) - не более чем на 2 м, в суглинках (с числом пластичности более 0,12) - не более 2,5 м и в глинах (с числом пластичности меньше 0,28) - не более чем на 3 м.

К практически непучинистым относятся: крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые и все виды глинистых грунтов твердой консистенции с природной влажностью в период промерзания меньшей, чем влажность на границе раскатывания при уровне грунтовых вод ниже нормативной глубины промерзания: в крупнообломочных, пылеватых и мелкозернистых песках более чем на 1 м, в супесях - более чем на 1,5 м, в суглинках (с числом пластичности меньше 0,12) - более чем на 2 м, в суглинках (с числом пластичности более 0,12) на 2,5 м и в глинах с числом пластичности меньше 0,28 - более чем на 3 м. Эта классификация грунтов по степени морозной пучинистости включена встандарт для проверки устойчивости фундаментов на действие сил морозного пученния грунтов оснований.

При определении степени морозной пучинистости грунтов следует в основном ориентироваться на их природную влажность и положение уровня стояния грунтовой воды на период, соответствующий началу промерзания грунта.

Скальные, крупнообломочные грунты, содержащие менее 30 % по массе частиц диаметром < 0,1 мм, пески гравелистые крупные и средней крупности независимо от их природной влажности и уровня залегания грунтовой воды относятся к непучинистым грунтам.

Различают две ситуации воздействия сил морозного пучения на фундамент. В первом случае, если фундамент залегает в пучинистом грунте в пределах глубины промерзания, то при пучении он вместе с расширяющимся грунтом поднимается вверх. Но даже если фундамент залегает ниже глубины промерзания, то он все равно может подвергаться воздействию сил пучения, которые в данном случае будут касательными (боковыми). Давление грунта на стенки фундамента может быть очень значительным и при большой площади соприкосновения стенок с пучинистым грунтом, он может поднять фундамент только за счет сил бокового сцепления. Такой сценарий особенно вероятен для легких домов из дерева или на основе каркаса. Их масса, по сравнению с каменными домами невелика и загрузка фундамента недостаточна для компенсации касательных сил пучения.

При оттаивании грунт опускается, и фундамент оседает вместе с ним. Деформации грунта, как правило происходят неравномерно, действуя на разные части фундамента с различной силой (рис.1.1.1). С течением времени эти процессы могут приводить к перекосам конструкции, и разрушению фундамента, который был спроектирован или возведен с ошибками.



Рис.1.1.1. Деформация фундаментов

а - величина просадки;б - величина пучения;в - величина бокового сдвига; У.П.Г. - уровень промерзания грунта;1 - просадка фундамента (А>Б);2 - выпучивание фундамента при заложении его подошвы выше У.П.Г. (А<Б+В1);3 - отрыв и выпучивание верхней части фундамента при заложении ниже У.П.Г. (А<В1);4 - боковой сдвиг фундамента; А - нагрузки на фундамент; Б - сопротивление грунта; В - вертикальные силы морозного пучения грунта; В1 - касательные силы морозного пучения грунта; Г - силы бокового давления.

Процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет, хватит ли степени фильтрации грунта, чтобы этот процесс прошел с пучением или без него. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании (рис.1.1.2).

Рис. 1.1.2. Грунт на границе промерзания

1.Песок; 2.Лед; 3.Вода; 4.Граница промерзания.

Что касается глины, то сквозь неё влага уйти не успевает, и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться скважина в глине, поведет себя как пучинистый (рис.1.1.3).

Рис. 1.1.3. Песок в замкнутом объеме (пучинистый)

1 - Глина; 2 - УГВ; 3 - Граница промерзания; 4 - Песок+вода; 5 - Лед+песок; 6 - Песок

Именно поэтому траншею под мелкозаглубленными фундаментами заполняют крупнозернистым песком, позволяющим выровнять степень влажности по всему его периметру, сгладить неравномерность пучинистых явлений. Траншею с песком, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку из-под фундамента.

Наличие давления от веса строения также сказывается на проявлении пучинистых явлений. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то и степень пучинистости его уменьшится. Причем, чем больше будет само давление на единицу площади основания, тем больше будет объем уплотненного грунта под подошвой фундамента и меньше величина пучения.

Если фундамент под тем же домом с той же глубиной заложения выполнен столбчатым, то давление на грунт будет больше, его уплотнение будет сильнее, отчего подъем стен от промерзания грунта не превысит 2..3 см (рис.1.1.4).

Рис. 1.1.4. Разница давлений под ленточным и столбчатым фундаментами

Главная причина коварства пучинистых грунтов - неравномерное пучение под одним строением.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Глубина промерзания определяется балансом мощности тепла, идущего из недр земли, с мощностью холода, проникающего в грунт сверху в холодное время года.

Если интенсивность тепла земли не зависит от времени года и суток, то на поступление холода влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (рис.1.1.5).

Неравномерность толщины снегового покрова наиболее ощутимо сказывается на разности в пучении грунта. Очевидно, что глубина промерзания будет тем выше, чем тоньше будет слой снежного одеяла, чем ниже будет температура воздуха и чем дольше продлится её воздействие.

Рис. 1.1.5. Промерзание участка застройки.

Если ввести такое понятие, как морозопродолжительность (время в часах, умноженное на среднесуточную минусовую температуру воздуха), то глубину промерзания глинистого грунта средней влажности можно показать на графике (рис.1.1.6).

Рис. 1.1.6. Зависимость глубины промерзания от толщины снегового покрова.

Если толстый слой снегового покрова укрывает землю, то граница промерзания поднимается вверх; при этом и днем, и ночью её уровень сильно не меняется. При отсутствии снегового покрова ночью граница промерзания сильно опускается вниз, а днем, при солнечном прогреве, поднимается вверх. Разница ночного и дневного уровня границы промерзания грунта особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует и где грунт сильно увлажнен. Наличие сооружения также влияет на глубину промерзания, ведь оно является своего рода теплоизоляцией.

Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента - другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5-7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Подобные силы возникают, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. При таком крепком сцеплении мерзлого грунта с бетоном на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, будет действовать вертикальная выталкивающая сила до 8т.

Возьмем для примера опору столбчатого фундамента под легким домом. На пучинистом грунте глубина заложения опор выполняется на расчетную глубину промерзания (рис.1.1.7,А). При небольшом весе самого строения силы морозного пучения могут его поднять, и самым непредсказуемым образом.

Рис 1.1.7. Подъем фундамента боковыми силами сцепления

А - столбчатый фундамент; Б - столбчато-ленточный фундамент по технологии ТИСЭ;

1 - Опора фундамента; 2 - Мерзлый грунт; 3 - Граница промерзания; 4 - Воздушная полость.

Ранней зимой граница промерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый прочный грунт схватывает верхнюю часть столба мощными силами сцепления. Но кроме увеличения сил сцепления мерзлый грунт еще и увеличивается в объеме, отчего верхние слои грунта поднимаются, пытаясь выдернуть опоры из земли. Но вес дома и силы заделки столба в грунте не позволяют этого сделать, пока слой мерзлого грунта тонкий и площадь сцепления столба с ним невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого грунта со столбом увели­чивается. Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента превышают вес дома. Мерзлый грунт вытаскивает столб, оставляя внизу полость, которая сразу же начинает заполняться водой и частицами глины. За сезон на сильно пучинистых грунтах такой столб может подняться на 5 - 10 см. Подъем опор фундамента под одним домом, как правило, происходит неравномерно. После оттаивания мерзлого грунта фундаментный столб самостоятельно на прежнее место, как правило, не возвращается.

С каждым сезоном неравномерность выхода опор из грунта увеличивается, дом наклоняется, приходя в аварийное состояние. «Лечение» такого фундамента - сложная и дорогая работа.

Эту силу можно уменьшить в 4…6 раз, сгладив поверхность скважины толевой рубашкой, вложенной в скважину до заполнения её бетонной смесью.

Заглубленный ленточный фундамент может подняться таким же образом, если он не имеет гладкую боковую поверхность и не загружен сверху тяжелым домом или бетонными перекрытиями.

Основное правило для заглубленных ленточных и столбчатых фундаментов (без расширения внизу): возведение фундамента и загрузку его весом дома следует выполнить в один сезон.

Фундаментный столб, выполненный по технологии ТИСЭ (рис.1.1.7,Б), не поднимается силами сцепления пучинистого мерзлого грунта благодаря нижнему расширению столба. Однако если не предполагается в этот же сезон загрузить, его домом, то такой столб должен иметь надежное армирование (4 прутка диаметром 10…12 мм), исключающее отрыв расширенной части столба от цилиндрической. Несомненные преимущества опоры ТИСЭ - высокая несущая способность и то, что его можно оставить на зиму без загрузки сверху. Никакие силы морозного пучения его не поднимут.

Боковые силы сцепления могут сыграть невеселую шутку с застройщиками, делающими столбчатый фундамент с большим запасом по несущей способности. Лишние фундаментные столбы действительно могут оказаться лишними.

Причина такого разрушения понятна. Если стены дома и веранды смогли своим весом компенсировать силы сцепления фундаментных столбов с мерзлым грунтом, то легким балкам перекрытия это было не под силу.

Существенно уменьшить либо количество центральных фундаментных столбов, либо их диаметр. Силы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фундаментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или создав прослойку из крупнозернистого песка вокруг столба. Избежать разрушения можно было бы и через создание массивной ленты-ростверка, соединяющей эти опоры. Другой способ уменьшить подъем таких опор - заменить их на мелкозаглубленный столбчатый фундамент (рис 1.1.8).

Рис 1.1.8.Разрушения балки пола веранды силами сцепления мерзлого грунта

Выдавливание - наиболее ощутимая причина деформации и разрушения фундамента, заложенного выше глубины промерзания. Оно обязано суточному прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще, чем подъем опор от боковых сил сцепления, имеющих сезонный характер.

Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт представим в виде плиты. Дом или любое другое строение зимой оказывается надежно вмороженным в эту камнеподобную плиту.

Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров стаял, а грунт увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается. В звездную ночь ранней весной особенно холодно (рис. 1.1.9). Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу вырастает выступ, который мощью самой плиты сильно уплотняет грунт под собой за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется. Силы подобного уплотнения грунта огромны.

Рис. 1.1.9.Плита мерзлого грунта ночью

Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м размерами 10x10 м будет весить более 200 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом «плиты» становится очень плотной и практически водонепроницаемой. Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно прогревается солнцем (рис.1.1.10).

Рис. 1.1.10.Плита мерзлого грунта днем

С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, грунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц. Дом при этом удерживается силами сцепления фундамента с плитой мерзлого грунта и опорой по остальному периметру.

С наступлением ночи полости, заполненные водой, замерзают, увеличиваясь в объеме и превращаясь в так называемые «ледяные линзы». При амплитуде поднятия и опускания границы промерзания за одни сутки в 30 - 40 см толщина полости увеличится на 3 - 4 см. Вместе с увеличением объема линзы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней и ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10 - 15 см, как домкратом, опираясь на весьма сильно уплотненный грунт под плитой.

Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты - раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом. Если же глубина заложения фун­дамента выше глубины промерзания, то давление мерзлого грунта поднимает фундамент, и тогда его разрушение неизбежно (рис.1.1.11).

Рис. 1.1.11.Плита мерзлого грунта с разломом по ленте фундамента.

Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернутую вверх дном. Это относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, которые днем превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное положение, то как раз там, где были холмы, и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах грунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше, наоборот, разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, где присутствует неравномерность в прогреве грунта и в толщине снегового покрова. Именно по такой схеме в глинистых грунтах возникают ледяные линзы, хорошо известные специалистам. Природа возникновения глинистых линз в песчаных грунтах такая же, но протекают эти процессы существенно дольше.

Подъем фундаментного столба мерзлым грунтом осуществляется при ежесуточном прохождении границы промерзания мимо его подошвы. Вот как этот процесс происходит: до того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опорной поверхности столба, сама опора неподвижна (рис.1.1.12,А). Как только граница промерзания опускается ниже подошвы фундамента, «домкрат» пучинистых процессов сразу включается в работу. Пласт мерзлого грунта, находящегося под опорой, увеличившись в объеме, поднимает её (рис. 1.1.12,Б). Силы морозного пучения в водонасыщенных грунтах весьма высоки и достигают 10…15 т/м2. С очередным прогревом пласт мерзлого грунта под опорой оттаивает и уменьшается в объеме на 10%. Сама опора удерживается в поднятом положении силами своего сцепления с плитой мерзлого грунта. В образовавшийся зазор под подошвой опоры просачивается вода с частицами грунта (рис. 1.1.12,В). Со следующим понижением границы промерзания вода в полости замерзает, а пласт мерзлого грунта под опорой, увеличиваясь в объеме, продолжает подъем фундаментного столба (рис. 1.1.12,Г).

Рис. 4.12 Подъем фундаментного столба пучинистым грунтом. 1.Лента ростверк, 2.Фундаментный столб, 3.Мерзлый грунт. 4.А, В - Верхний уровень границы промерзания 5.Б, Г - Нижний уровень границы промерзания 6.Смесь воды и глины, 7.Смесь льда и глины.

Следует обратить внимание на то, что этот процесс подъема опор фундамента имеет ежесуточный (многократный) характер, а выдавливание опор силами сцепления с мерзлым грунтом - сезонный (один раз за сезон).

При большой вертикальной нагрузке, приходящейся на столб, грунт под опорой, сильно уплотненный давлением сверху, становится слабопучинистым, да и вода из-под самой опоры в процессе оттаивания мерзлого грунта выжимается сквозь тонкую его структуру. Поднятия опоры в этом случае практически не происходит.

Фундаменты приходится защищать от многих видов воздействия и другого характера: проникновения сквозь стены подвалов грунтовых и ливневых вод, кислой агрессивной среды, характерной для российских почв (по этой причине нельзя класть в грунт силикатный кирпич и другие щелочные материалы). При любых грунтах без специальных инженерных мероприятий нельзя строить на косогорах, поскольку возможно сползание грунта вместе с погруженными в него фундаментами; на вечномерзлых грунтах, которые могут с течением времени поглотить дом целиком, растаивая под воздействием его тепла; в сейсмо-опасных районах; местах схода лавин и селей; в прибрежных районах с ураганными ветрами. Ширина фундаментных стен назначается по конструктивным соображениям, и их прочность на сжатие обычно на порядок выше возможных вертикальных нагрузок от наземной части зданий, а вот прочность и сопротивление опрокидыванию при боковом давлении, создаваемом колесным автотранспортом, требует проверочных расчетов. В связи с этим фундамент должен быть достаточно массивным, либо развитым в толщину, либо снабжаться ребрами, либо иметь достаточно частое положение поперечных стен.



1.2 Механизм формирования морозного пучения

Физическая сущность природы сил морозного пучения грунтов ни теоретически, ни экспериментально еще не раскрыта. О величине нормальных сил морозного пучения грунтов судят только по величине сопротивления среды при работе сил морозного пучения грунтов за счет видоизменений содержащейся в грунте тепловой энергии.

В отечественной и зарубежной литературе нет единого общепринятого определений морозного пучения грунтов. Так, первые русские исследователи - инженеры-железнодорожники эффект морозного пучения грунтов называли пучинами, а инженеры-строители - выпучиванием или распучиванием.

П.Н. Любимов дал определение «пучинам на железных дорогах», которое сформулировал так: «Пучиною называется... местное поднятие полотна, зависящее от присутствия под ним в пределах промерзания насыщенных водою грунтов и вызывающее зимой и в начале весны такого рода неправильности в положении верхнего строения железнодорожного пути, которое нарушает спокойствие и безопасность движения поездов».

Из приведенного определения следует, что могут вспучиваться только насыщенные водой грунты, но, как известно, пучение водонасыщенных грунтов есть частный случай пучения. Наблюдаются случаи, когда пучение грунтов и образование пучин на дорогах происходят в значительных размерах на слабовлажных грунтах при стоянии уровня подземной воды на глубине 5-6 м от дневной поверхности, и, наоборот, иногда грунты, полностью насыщенные водой, не считаются пучинистыми потому, что при замерзании грунтовой воды в порах не происходит изменения объема скелета грунта по ряду причин.

Следовательно, одно водонасыщение грунта не может во всех случаях промерзания грунта обусловить пучинистость всех без исключения грунтов в одинаковой степени и вызвать пучинообразование.

Наибольший эффект морозного пучения дает сочетание вида грунта с водным и термическим режимами и другими факторами. Положительное в определении П.Н. Любимова заключается в том, что главным моментом считается внешний признак (местное поднятие), привязанный ко времени года и пределам сезонного промерзания грунтов.

М.И. Сумгин дает свое определение следующего содержания: «Пучением грунтов мы называем в обобщенном понимании деформации поверхности почвы, заключающиеся в поднятии, а затем опускании этой поверхности». Здесь доминирующим моментом в определении служит внешний эффект. М.И. Сумгин процесс морозного пучения делит на два сменяющих друг друга самостоятельных цикла - пучение и оседание.

Н.И. Быков дал определение морозного пучения грунтов в следующей формулировке: «Будем впредь называть пучением всякое вертикальное перемещение вверх как самого грунта, так и заключенных в него предметов, происходящее вследствие замерзания и расширения грунта; противоположное явление - перемещение вниз при оттаивании - будем называть оседанием».

Н А. Цытович дал следующее определение пучения грунтов:

«Пучение грунтов при замерзании вызывается увеличением объема воды при переходе из жидкого состояния в твердое и образованием ледяных прослоек и линз». В определении Н. А. Цытовича главным образом указывается на причину возникновения пучения грунта за счет изменения объема грунта при замерзании.

В.О. Орлов дает несколько отличающееся определение следующего содержания:

«Под морозным (криогенным) пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных горных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и образования ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т. п.

Внешним проявлением морозного пучения служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании».

В данном определении уточняются пределы геологических образований, в которых наблюдается морозного пучения. Кроме того, Орловым дано более широкое понятие («объемное деформирование»), охватывающее структурные изменения в грунте в результате пучения.

Более краткое определение дано Б. И. Далматовым: «Морозным пучением называется увеличение объема грунта при промерзании в результате перехода воды в лед и миграции влаги к фронту промерзания. Пучинистыми обычно называют грунты, которые при промерзании в условиях естественного залегания способны увеличиваться в объеме». Таким образом, Б.И. Далматов дает дополнение к определению пучинистых, но применительно к практике строительства.

«Пучинистыми (морозоопасными) грунтами называются такие грунты, которые при промерзании обладают свойством увеличивать свой объем при переходе их в мерзлое состояние. Изменение объема грунта обнаруживается в природных условиях в поднятии дневной поверхности в процессе промерзания и опускании ее при оттаивании. В результате этих объемных изменений происходят объемные деформации, что и наносит повреждения основаниям, фундаментам и надфундаментному строению зданий и сооружений».

Процесс морозного пучения грунтов определяется рядом климатических, геологических и техногенных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве зданий. Во-первых, на степень пучения оказывают влияние поземные воды, в частности водонасыщенность грунта и уровень капиллярного поднятия вод.

Во-вторых, глубина и скорость промерзания грунтов, зависящих от значений отрицательной температуры наружного воздуха, от величины снегового покрова, теплоизоляции грунта, наличия покрытий, солнечной радиации, от смен холодной погоды на оттепели.

Подземные воды не всегда имеют стабильный уровень стояния. Например, в аллювиальных отложениях речных долин уровень стояния подземной воды зависит от колебания уреза воды в реке. Весенний подъем уреза воды в реке не составляет большой угрозы для фундаментов, так как уровень подземной воды понижается со спадом воды в реке.

Если грунты перед промерзанием оказываются водонасыщенными, это может привести к значительному пучению. Находясь близко к слою промерзающего грунта, верховодка и подземная вода по капиллярам увлажняют промерзающий грунт, создавая при этом наиболее благоприятные условия для миграции влаги к фронту промерзания и образования в грунте избыточного накопления льда в виде прослоек и линз.

За толщину слоя капиллярного поднятия воды принимается расстояние от уровня подземной воды до горизонта, где влажность глинистого грунта не превышает влажности на границе раскатывания. Толщину слоя капиллярного поднятия называют морозоопасной «каймой» над уровнем подземной воды. Эта кайма зависит от состава и сложения грунта в природных условиях, и толщина ее колеблется в пределах от 0,3 до 3,5 м в зависимости от степени дисперсности грунта.

Капиллярное поднятие воды в грунтах происходит под действием поверхностной энергии минеральных частиц грунта и, следовательно, зависит от их удельной поверхности. Например, в песках круглых и средней крупности удельная поверхность частиц сравнительно небольшая, поэтому в этих песках почти не наблюдается капиллярного поднятия воды и вследствие этого отсутствуют деформации морозного пучения (они относятся к непучинистым грунтам).

Пески мелкие и пылеватые имеют большую дисперсность по сравнению с песком крупным, и вследствие взаимодействия удельной поверхности минеральных частиц с водой капиллярное поднятие в природных условиях наблюдается на высоту от 0,3 до 0,5 м. В супесях высота капиллярного поднятия достигает от 0,5 до 1 м, в суглинах - до 1,5 и глинах - до 3 м.

На основании визуальных наблюдений за высотой капиллярного поднятия над уровнем грунтовых вод по разрезам и по данным распределения природной влажности грунта в этой зоне установлены зависимости его высоты от физических характеристик пучинистых грунтов. При наличии этих характеристик можно рассчитать высоту капиллярного поднятия, которая и служит основным показателем в классификации степени пучинистости грунтов.

Положение зоны капиллярного поднятия воды в грунтах находится в зависимости от сезонных и многолетних колебаний стояния уровня грунтовых вод, поэтому возможность изменения природной влажности грунтов в слое сезонного промерзания следует определять по материалам гидрогеологических изысканий и прогнозов, выполняемых на основе специальных расчетов.

Локально водонасыщаемые промышленными водами грунты при промерзании неравномерно вспучиваются, что вызывает серьезные повреждения зданий и сооружений. При проектировании фундаментов промышленных зданий и сооружений с мокрым технологическим процессом следует предусматривать мероприятия, исключающие или уменьшающие последствия водонасыщения грунтов.

Глубина и скорость промерзания грунтов являются важными факторами в процессе их морозного пучения, зависят от вида грунтов и их природной влажности, значений отрицательной температуры наружного воздуха и продолжительности холодного периода года.

Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают примерно на 20 % меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.

Глубина промерзания грунтов в пределах территории РФ колеблется в широких пределах - от 0,5 до 6 м. Максимальные значения глубины промерзания грунтов наблюдаются в Забайкалье, ближе к границе Монголии, преимущественно на песчаных и крупнообломочных грунтах и большей частью на склонах северной экспозиции.

Глубина промерзания зависит также от снегового покрова, теплоизоляции грунта, наличия покрытий.

Величина глубины промерзания грунтов оказывает большое влияние на вспучивание дневной поверхности грунта. Например, в Забайкалье пучение свободной поверхности грунта достигло 39 см при глубине промерзания суглинистого грунта на 2,8 м, а сильнопучинистый суглинок в Московской области вспучается на 15 см при глубине промерзания на 1,5 м.

Значения морозного пучения грунтов зависят от скорости промерзания, а скорость, в свою очередь, зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха. Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания величина вспучивания грунта меньше. На величину вспучивания оказывает влияние коэффициент фильтрации глинистого грунта, которой обусловливает подток количества влаги к фронту промерзания. В образцах, замерзающих при большой скорости промерзания, визуально не наблюдается образования ледяных включений в виде прослоек и линз, следовательно, грунт незначительно ухудшает свои физические свойства при оттаивании.

При малой скорости промерзания грунта происходит формирование льдистой текстуры, сопровождающееся повышенным накоплением ледяных включений в нем за счет миграции воды из нижележащих слоев талого грунта. Такие грунты при оттаивании резко ухудшают свои физические свойства. Иногда грунты, имеющие твердую или пластичную консистенцию до промерзания, превращаются в текучее состояние после промерзания и оттаивания.

Наибольшее количество льда в грунтах природного сложения скапливается при промерзании грунта на глубину до 1-1,2 м, т. е. там, где больше сказывается колебание отрицательной температуры наружного воздуха, например, при смене холодной погоды на оттепели.

Глава 2. Состав и строение глинистых грунтов

2.1 Каолинитовые глины

Каолинит является третьим глинистым минералом, имеющим широкое распространение среди осадочных образований. Его содержание сравнительно невелико в отложениях мезо-кайнозойского возраста (8% образцов), но резко возрастает в отложениях карбона и девона (35--40%). Следовательно, при инженерно-геологическом изучении глинистых грунтов наибольшее внимание необходимо уделять этим трем группам глинистых минералов. Это, однако, не значит, что в каждом конкретном случае в глинистой породе не могут преобладать и определять ее свойства другие глинистые минералы, такие, как палыгорскит, хлорит, вермикулит, смешанослойные и т. д. Например, в породах татарского яруса Среднего Поволжья и Нижнего Прикамья встречается монтмориллонит-палыгорскитовая ассоциация минералов. Но эти отдельные случаи не нарушают общей закономерности в распространении глинистых минералов.

Чистый каолинит имеет химический состав, соответствующий формуле H₂Al₂Si₂O₈ или структурной формуле Al₄[Si₄O₁₀]* (ОН)₈. Отношение SiO₂/(Аl₂O₃+Fe₂O₃) равно 1,99 - 2,20. Разновидность каолинита, обогащенного SiO₂, называется анокситом, А1₂O_з - фолеритом, Н₂O - галлуазитом. Некоторые минералы каолинитовой группы (диккит, накрит) отличаются от каолинита только особенностями кристаллической структуры. Каолинит имеет структурный мотив 1 :1, т.е. он характеризуется двухслойной и нелабильной (неподвижной) кристаллической структурой.

Кристалл каолинита состоит из одного или нескольких слоев, геликоидально закрученных вокруг одной или нескольких осей винтовых дислокаций (рис. 2.1.1, 2.1.2) Такая конструкция значительно увеличивает прочность кристаллов каолинита, так как для того, что бы разделить кристалл паралельно плоскости спайности, необходимо разорвать не только межслоевые связи, но и сами слои каолинита.

Рис. 2.1.1. Строение пирамида роста кристалла каолинита (по С.С. Чекину, 1984):

h - высота ступени; л - расстояние между ступенями, и - угол пирамиды,

V - направление роста ступени, R - направление роста грани.

Рис. 2.1.2. Гелликоидальное строение кристалла каолинита; сечение в плоскости bc. (по С.С. Чекину, 1984)/

В элементарный пакет кристаллической структуры каолинита входят два слоя - тетраэдрический и октаэдрический (рис. 2.1.3). Связь между слоями у каолинита характеризуется высокой прочностью, обеспечивающейся взаимодействием кислородных и гидроксильных атомов смежных слоев (водородная связь). Благодаря этому, каолинит имеет жесткую кристаллическую решетку, такую, когда молекулы воды и обменные ионы не могут проникнуть в межслоевое пространство кристалла, благодаря чему внутренне набухание в нем отсутствует.

Рис.2.1.3. Схема структуры каолинита по Р.Гриму

1- кислород;2- гидроксил; 3- алюминий; 4 -кремний

Самое существенное влияние на емкостные и сорбционные свойства каолинитов оказывает степень порядка в упаковке слоев, причем дефекты типа произвольных трансляций смежных слоев или субупаковокв значительной мере увеличивает физико-химическую активность каолинита. Новейшие исследования доказали и способность кристаллов каолинита разбухать при внедрении в его межслоевое пространство некоторых органических полярных жидкостей (ацетат калия, мочевина, гидразин, амиды низших кислот) и образования характерных органо-каолинитовых комплексов. Этот процесс, названный интеркаляцией, идет за счет усиления водородных связей и сопровождается увеличением межплоскостного пространства до 10-14 Е.

Гидратация и обмен катионов отмечаются только на поверхности кристаллической структуры каолинита. По этой причине количество связанной воды и емкость обмена (3 -15 мг-экв/100 г сухого вещества) невелики. В шлифах и на электронномикроскопических изображениях каолинит имеет пластинчатую форму; правильные шестиугольные характерны для каолинита, образовавшегося при кристаллизации алюмокремневых гелей; червеобразная форма характерна для каолинита, возникшего при выветривании полевых шпатов.

2.2 Монтмориллонитовые глины

На втором месте по распространенности находятся минералы группы монтмориллонита. Около 30% образцов содержали монтмориллонит в качестве преобладающего минерала среди частиц глинистой фракции. Особенно часто монтмориллонит встречается среди отложений палеогена, юры, перми и карбона. Содержание его снижается в породах четвертичного и неогенового возрастов. Можно предполагать, что это связано с залеганием пород этих систем преимущественно в зоне гипергенеза. Под влиянием современного процесса гипергенеза монтмориллонит в ряде климатических зон оказывается неустойчивым и разрушается.

Существует несколько моделей структуры монтмориллонитовых минералов, согласно которым монтмориллонит состоит из двух тетраэдрических сеток, между которыми располагается октаэдрическая сетка, т. е. имеет структуру типа 2:1. Все вершины тетраэдров обращены к центру структурного слоя и совместно с гидроксилами октаэдрической сетки образуют общий слой, в котором в вершинах, общих для тетраэдрических и октаэдрических сеток, располагаются атомы О, а в вершинах октаэдров, не связанных с тетраэдрами, -- гидроксилы ОН.

Рис.2.2.1. Схема структуры монтмориллонита по Р. Гриму

1- кислород; 2 - гидроксил; 3 - алюминий, железо, магний; 4 - кремний, иногда алюминий

Характерной особенностью структуры монтмориллонита является то, что кислородная поверхность одного слоя контактирует с аналогичной кислородной поверхностью соседнего слоя, вследствие чего связь между слоями слабая. Молекулы воды и других полярных жидкостей могут свободно проникать между структурными слоями монтмориллонита и раздвигать их в направлении оси с, снижая тем самым и без того крайне слабое молекулярное взаимодействие между ними. В зависимости от количества воды, находящейся в межслойном пространстве, базальное расстояние (001) в решетке монтмориллонита может изменяться от 9,6 А (когда между слоями нет никаких полярных молекул) до 140 А, а в некоторых случаях и больше -- до полной диссоциации слоев.

Теоретическая формула структурной ячейки монтмориллонита имеет вид (OH)₄Si₈Al₄O₂0*nH₂O, что соответствует следующему химическому составу: SiO₂ - 66,7%, Al₂O₃ - 28,3%, H₂O - 5%. В действительности природные монтмориллониты всегда отличаются от теоретического состава вследствие изоморфных замещений алюминия в октаэдрической координации на магний, железо, цинк, литий с образованием ряда минералов группы монтмориллонита (нонтронит, сауконит, гекторит).

В зависимости от степени изоморфных замещений отношение молекулярных количеств кремнезема и глинозема в решетке монтмориллонитовых минералов может изменяться от 3:2 -- при максимальном заполнении алюминием октаэдрических позиций и частичном замещении кремния на алюминий в тетраэдрах до 3:1 -- в случае минимального изоморфного замещения кремния в тетраэдрической сетке и максимального замещения алюминия в октаэдрической сетке.

В результате изоморфных замещений решетка монтмориллонита всегда электрически неуравновешенна; замещение Al³⁺ на Fe²⁺ и Mg²⁺ в октаэдрической сетке и, возможно, частичное замещение Si⁴⁺ на Al³⁺ в тетраэдрах создает избыток отрицательных зарядов в решетке, плотность которых составляет примерно 0,66 элементарного заряда на одну структурную ячейку. Возникающий отрицательный заряд компенсируется гидратированными обменными катионами, адсорбирующимися между структурными слоями, которые вместе с молекулами воды составляют межслоевой комплекс монтмориллонита. Чаще всего это могут быть катионы Na⁺, Ca²⁺ Mg²⁺ и органические катионы. При этом отмечается изменение межплоскостного расстояния в зависимости от состава поглощенного комплекса катионов. Так, в нормальных условиях монтмориллонит с Na⁺ в качестве обменного катиона имеет межплоскостное расстояние в направлении оси с, равное 12,5 А. Межплоскостное расстояние у монтмориллонита с Ca²⁺ близко к 15,5 А.

Молекулярные взаимодействия между отдельными слоями в решетке монтмориллонита из-за наличия молекул воды и гидратированных катионов в межслоевом комплексе выражены крайне слабо. Присутствие положительных катионов в межслоевом пространстве, казалось бы, должно придавать связям между отрицательно заряженными структурными слоями монтмориллонита ионный характер, как это имеет место, например, в решетке слюд и гидрослюд. Однако ионная связь в монтмориллоните значительно ослаблена за счет того, что отрицательный потенциал, возникающий в центральной (октаэдрической) сетке монтмориллонита при изоморфных замещениях трехвалентного катиона на двухвалентный, в значительной степени экранируется наружными тетраэдрическими сетками. Далее, по мнению Е. Г. Куковского, действие этих сил еще ослаблено тем, что каждый- из обменных катионов компенсирует дефицит в положительных зарядах только в одном слое (а не в обоих смежных слоях, как это имеет место в слюдах и гидрослюдах) и не является, таким образом, связующим «мостиком» соседних слоев.

Большое влияние на прочность связи слоев в структуре монтмориллонита оказывает гидратация катионов. В гидратированном состоянии катион-компенсатор имеет увеличенные размеры и не допускает сближения слоев до «контактного расстояния». Только при нагревании до 200--300°С, когда дегидратируются сами катионы, слои сближаются на такое расстояние, при котором действие молекулярных сил проявляется достаточно сильно. После этого структура монтмориллонита теряет способность к набуханию. Не исключено, что при дегидратации катионов происходит их перегруппировка и каждый из них становится общим для двух смежных слоев.

Поверхности внутренних слоев монтмориллонита из-за отсутствия прочных связей между слоями оказываются доступными для дисперсионной фазы и, таким образом, принимают активное участие в процессах сорбции, обмена и т. д. Следовательно, у монтмориллонита, в отличие от каолинита, активными поверхностями являются не только краевые участки и поверхностные базальные грани кристаллов, но и внутренние базальные плоскости, что обусловливает огромную величину суммарной активной поверхности монтмориллонита. Этим объясняются такие специфические свойства монтмориллонита, как его высокая гидрофильность, высокая адсорбционная способность и т. д. Многочисленными исследователями при этом отмечается преобладающая роль базальных поверхностей во всех физико-химических реакциях вследствие того, что их суммарная поверхность во много раз превосходит суммарную поверхность краевых участков кристаллов монтмориллонита.

2.3 Гидрослюдистые глины

Количественные подсчеты показывают, что преобладающим минералом в глинистых породах различного возраста является гидрослюда: для пород додевонского возраста количество образцов, в которых среди ассоциаций глинистых минералов преобладает гидрослюда, в некоторых случаях доходит до 95%, среди пород мезозойского и кайнозойского возрастов это соотношение составляет в среднем 58%.

Причинами, которые обусловливают доминирующее значение гидрослюд среди глинистых минералов отложений различных геологических периодов, являются возможность образования гидрослюд в морских и континентальных условиях, превращение их в другие глинистые минералы в процессе метаморфизма, а также поступление первичных слюд в глинистую и даже коллоидную фракцию в результате механического разрушения горных пород.

Гидрослюды относятся к наиболее распространенной группе глинистых минералов, состоящей из многих разновидностей: гидробиотит, гидромусковит (иллит), серицит, глауконит и др. Между гидрослюдами и глинистыми минералами других групп существуют промежуточные минералы.

По химическому составу гидрослюды разнообразны. Структурная формула гидромусковита, являющегося типичным гидрослюдистым минералом, имеет вид: (КН₃О)Аl₂(ОН)₂*[(Si,Al)₄O₁₀]nH₂O. Гидрослюды отличаются от слюд меньшим содержанием щелочей, большим - воды и обогащенностью оксидом калия. По содержанию SiО₂, равному 49,8 - 51,4 %, гидрослюды занимают промежуточное положение между каолинитом (43,9 - 45,1%) и монтмориллонитом (59,3 - 65,0%). Гидрослюды имеют трехслойную, но, в отличие от монтмориллонита, нелабильиую кристаллическую структуру, мотив которой 2:1 (рис. 2.3.1).

Рис.2.3.1. Схема структуры гидрослюды по Р. Гриму

1- кислород; 2 - гидроксил; 3 - алюминий; 4 - калий, вода; 5 - кремний (на ј замещен алюминием)

Таким образом, имея структурный мотив такой же, как у монтмориллонита, гидрослюды отличаются от него межслоевым комплексом и зарядом, приходящимся на элементарную ячейку. Если у монтмориллонита заряд ячейки равен примерно 0,66, то у, гидрослюд он составляет примерно 1,3. Кроме того, у гидрослюд в отличие от монтмориллонита заряд располагается близко к поверхности структурного слоя вследствие того, что источником заряда у них являются не только октаэдрические, но и тетраэдрические сетки. Благодаря этим особенностям соседние структурные слои в гидрослюдах прочно связываются межслоевыми катионами (главным образом катионом K⁺) за счет ионных сил, так что полярные молекулы не могут проникать между ними и вызывать расширение решетки. Межслоевые катионы, уравновешивающие отрицательный заряд слоев, являются при этом необменными.

Следовательно, у гидрослюд основными активными поверхностями являются разорванные связи краевых частей кристаллов и их внешние базальные грани. Однако в отличие от каолинита внешние базальные грани гидрослюд, несущие нескомпенсированный отрицательный заряд, активно взаимодействуют с дисперсионной средой. Этим объясняется тот факт, что по величине гидрофильности, по активности в обменных и адсорбционных реакциях гидрослюды занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.



Глава 3. Методика исследований

3.1 Гранулометрический состав

Определение гранулометрического состава проводилось согласно ГОСТ 12536-79 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава»

Определение гранулометрического (зернового) состава глинистых грунтов ареометрическим методом производят путем измерения плотности суспензии ареометром в процессе ее отстаивания.

Необходимое оборудование: ареометр, набор сит с поддоном; весы лабораторные, стаканчики стеклянные, ступка фарфоровая, пестик, чашка фарфоровая, нож, эксикатор, шкаф сушильный, колба коническая плоскодонная, воронки, цилиндр мерный, термометр.