Просадочные явления в лессовых породах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Просадочные явления в лессовых породах

Лессовые породы (лессы и лессовидные суглинки) - особый петрографический тип четвертичных глинистых континентальных отложений - широко распространены в Европе и юго-восточной Азии. На земном шаре они занимают площадь порядка 13 млн. км², ими покрыто 17% территории СНГ. Юг Украины, Предкавказье, Средняя Азия, Западная и Восточная Сибирь сложены с поверхности лёссами и лёссовидными породами мощностью от нескольких до 30-40 м, а в межгорных впадинах в Киргизии и Таджикистане до 50-60 м. Отсутствуют они в южной Литве, Беларуси. Приурочены к районам с определенными палео- и современными климатическими условиями, например, в Европе - преимущественно, южнее 62° с.ш.

Лёссы и лёссовидные породы являются полигенетическими образованиями. Они бывают эолового, элювиального, делювиального, аллювиального, перегляциального происхождения. Типичные (первичные) лессы, в основном, имеют эоловое происхождение. Все другие процессы дают начало лессовидным породам (вторичный лёсс). Облёссование глинисто-алевритовых образований происходит при многократном замерзании и оттаивании в условиях резко континентального климата. Образование пылеватых частиц и их агрегатов возможно как за счет дезинтеграции песчаных, так и при коагуляции глинисто-коллоидных фракций; карбонаты, выпадающие на стенках крупных пор в виде оболочек из раствора, насыщенного СаСО3, при интенсивной весенней сублимации льда, способствуют цементации и образованию из тонкодисперсных частиц крупных пылеватых фракций. Степень выраженности лёссовых признаков и свойств определяется формированием лёссового материала при определенных диагенетических процессах в условиях недостаточного увлажнения, развития степной растительности и фауны и последующего изменения при литификации.

К типичным лёссам относятся чаще верхне-средне- и реже - ранне-плейстоценовые образования, обладающие характерными признаками и свойствами, из которых для инженерно-геологической их оценки особенно важны следующие:

1) высокая пористость - 45-52% и макропористость; коэффициент пористости 0,72- 0,82 и более, плотность скелета 1,50- 1,60 г/см³;

2) высокая пылеватость (преобладание в составе алевритовых фракций: в лессах до 90%, а лессовидных суглинках - до 50%, остаток составляют песчаные частицы); агрегированность и микросложение, однородность механического состава;

3) высокое содержание легкорастворимых солей, главным образом, карбонатных и сульфатных;

4) непрочные структурные связи, легкая размываемость, размокаемость и оплывание;

5) склонность к просадкам при увлажнении; естественная влажность от 3 до 10%, в зависимости от глубины и положения над уровнем грунтовых вод; коэффициент насыщения часто не превышает 0,5-0,6;

6) условия залегания в виде мощных толщ и покровов; столбчатая текстура и возможность удерживания в естественном состоянии вертикальных склонов значительной высоты;

7) светлая расцветка.

Важнейший обязательный диагностический признак лёссовых пород - их макропористость - пористость породы, превышающая обычную и составляющая более 50%. Количество макропор обычно составляет 15-20% от общей пористости породы. Макропоры в форме трубочек, канальцев и других пустот пронизывают породу в вертикальном направлении. Если порода континентального происхождения не макропориста, то, даже если у нее имеются другие характерные признаки лёссовой породы (состав, окраска, отдельность и др.), непозволительно относить ее к этому типу.

2 генетические группы лессовых пород мало отличаются по внешним признакам, но имеется существенное различие в их составе: у лессов частицы пылеватой фракции являются элементарными минеральными частицами, а у лессовидных пород - имеют агрегатное строение. Такую особенность имеют лессовые почвы Украины.

Содержание пылеватых частиц в их составе от 50-52 до 81-82%, 90-95%. Содержание песчаных фракций от 1-3% до 15-20%, редко выше. Структура лёссовых пород типичная алевритовая и алевропелитовая. Преобладают частицы алевритовые (0,05-0,002 мм) с примесью глинистых. В минеральном составе тонкодисперсной части основную массу составляют глинистые минералы (монтмориллонит, каолинит, гидрослюды и их смеси); кварц, реже карбонаты и др. В минеральном составе грубодисперсной части (алевритовая и псаммитовая) встречаются только первичные минералы, среди которых 40-90% составляет кварц, присутствуют полевые шпаты, карбонаты, встречаются амфиболы, пироксены, слюды и др.

Характер связей между частицами мелкого песка и пыли, позволяющий лессовой породе удерживаться в вертикальных откосах и выдерживать нагрузку без значительных деформаций, может быть следующий:

1. Кристаллизационные связи:

- из труднорастворимых солей (СаСО3, MgCO3);

- из среднерастворимых солей (СаSO4*2H2O);

- из легкорастворимых солей (Na2SO4*10H2O, MgSO4*7H2O и др.).

2. Коллоидные связи:

- водоустойчивые;

- водоустойчивые при высокой концентрации порового раствора;

- неводоустойчивые.

Преобладание связей того или иного характера в составе агрегатных частиц и между гранулометрическими элементами породы (агрегатными или элементарными) определяют поведение породы при ее увлажнении. Коллоидная фракция и связанная вода с очень малым участием солей обусловливает скрепление главной массы пылеватых частиц лёсса.

Под воздействием воды в лессах разрушаются структурные связи и строение, проявляется расклинивающее действие водных пленок при набухании и происходят оплывание макропор и резкое доуплотнение породы либо только от собственного веса, либо под воздействием нагрузки от сооружения.

Разрушение структуры лёссов с малой влажностью наступает при первом замачивании водой преимущественно водно-коллоидных (коагуляционных) связей. Связи цементационного характера (значительное количество карбонатов и гипса) более прочные. В таких лёссах выделяют два периода развития просадочности. Первый, краткий, после увлажнения породы, чаще основной по величине уплотнения, и второй, длительный и меньший по деформации, с выщелачиванием солей и пластическим уплотнением водонасыщенных дисперсных пород.

Для лёссовых толщ значительной мощности характерно общее увеличение влажности от 3-5% вблизи дневной поверхности до 23-27%, в зависимости от минерало-гранулометрического состава и плотности, в зоне капиллярного насыщения над УГВ и наличием погребенных почв. При влажности лёсса 12-15% просадочные деформации незначительны, происходит медленное уплотнение, обычное для глинистых пород.

Существует 4 типа просадочных деформаций:

- просадки появляются немедленно после замачивания породы;

- просадки появляются через продолжительное время после замачивания;

- появляются в течении продолжительного времени, медленно возрастая;

- проявляются в виде внутреннего размыва и суффозии в лессах и глинах.

Часто развитие просадочности сочетается с другими инженерно-геологическими процессами: возникают оползни, суффозия, оплывины, размывы и разные виды деформаций откосов каналов, сложенных лёссами и лёссовидными породами.

В естественных обнажениях для лёссов характерна столбчатая отдельность. Вертикальные уступы, обрывы высотой от 2-3 до 4-5 м в верхней части обнажений по оврагам, в уступах террас, в бортах карьеров, в выемках, на склонах речных долин - характерный элемент рельефа области распространения лёссовых пород.

Просадки хорошо выражены в рельефе в виде блюдцеобразных плоских понижений, западин, ложбин и воронок, отдельных и групповых, охватывающих большие площади. Форма их круглая, эллиптическая, диаметр до 10-15 м у групп, и 40-50 м у одиночных. Глубина 2-3 м, склоны крутые, плавно сливаются с дном и разделяющими их буграми. Группы соединяются радиальными понижениями, приобретают трех-, четырех- и пятилучевую форму. Воронки образуют небольшие озерки.

Лессовидные суглинки (наиболее распространенная разность лессовых пород) отличаются постоянством свойств:

- естественная влажность 20-25%;

- коэффициент насыщения 0,6%;

- объемная масса скелета 1,5 г/см³;

- пористость 40-50%;

- коэффициент пористости 0,7-1,0, иногда превышает 1,0;

- число пластичности 9-18%.

Кф от долей метра до нескольких метров в сутки. В вертикальном направлении (в направлении ориентировки макропор) их водопроницаемость значительно выше, чем в горизонтальном, они очень анизотропны.

Лёссовые породы естественной влажности и плотности при действии на них умеренной нагрузки средне- или слабосжимаемы, сравнительно умеренно деформируемы, имеют сравнительно высокие значения сопротивления сдвигу. Коэффициент сжимаемости в интервале нагрузок от 1 до 2 кгс/см² измеряется сотыми и тысячными долями квадратного сантиметра на килограмм-силу.

В сухом состоянии лессовые грунты представляют собой надежную строительную породу в качестве фундаментов сооружений с модулем деформации Е 250-320кг/см² (25-32Мпа). Угол внутреннего трения 28-30° и выше, а сцепление - 0,80-1,20 кгс/см² и более.

При замачивании модуль деформации на границе пластичности составляет 20 Мпа и на границе текучести 4,5-5,0 Мпа. В таких условиях лессовидные суглинки становятся слабой породой, ненадежной как фундамент сооружения, прочность структурных связей и породы в целом снижается.

Релаксация сил сцепления в лёссовой породе при изменении ее влажности

При проектировании и строительстве сооружений на лёссовых породах главное внимание уделяют показателям, характеризующим их просадочность при замачивании в ненагруженном и нагруженном состояниях.

Просадочность - это дополнительная деформация лессового грунта, связанная с разрушением его структуры при замачивании (насыщении водой). Общая осадка лессового грунта состоит из суммы осадки и просадки. В отличии от просадки, осадка - это уплотнение грунта под нагрузкой (уменьшается пористость). Процесс осадки характеризуется величиной коэффициента сжимаемости а0.

При инженерных расчетах обычно пользуются величинами относительных деформаций горных пород, т.е.

а0 = ,

где а0 - коэффициент относительной сжимаемости породы после уплотнения ее нагрузкой ; h - величина, на которую изменилась высота образца при полной стабилизации ее уплотнения от данной нагрузки при изменении пористости от е0 до е?; h - первоначальная высота образца породы, мм.

По существующим СНиПам просадочные свойства грунтов характеризуются величиной относительной просадочности, под которой понимается дополнительное относительное сжатие грунта под действием замачивания. Она рассчитывают по формуле:

лессовый грунт просадочность порода

где h1 - высота образца природной влажности, обжатого под давлением Р; h2 - высота того же образца при том же давлении после насыщения водой; h0 - первоначальная высота образца природной плотности и влажности; 1г - относительная деформация образца под давлением до замачивания; h1 - изменение высоты образца под давлением Р до замачивания); 11 - относительная деформация образца под давлением Р после замачивания; h2 - изменение высоты образца под давлением Р после замачивания.

При оценке просадочности необходимо знать величину относительной деформации породы от действия одного лишь замачивания, которую называют коэффициентом относительной просадочности

ат = ,

где

а0 - относительная деформация породы после уплотнения ее нагрузкой ?; - относительная деформация того же образца породы после увлажнения при той же нагрузке ?. Либо, по аналитической формуле

ат =.

При ат > 0,02 - порода просадочная, при ат < 0,02 - порода устойчива.

Значения ет и ат различны при разной величине удельного давления; максимальные значения ет и ат в интервале давлений от 2,0 до 4,0 кгс/см².

Согласно СНиП П-Б.2-62

ат =,

где h - высота образца породы (мм) естественного сложения и влажности, уплотненного в компрессионном приборе нагрузкой ?, кгс/см2, равной давлению от веса сооружения и собственного веса вышележащей породы; - высота того же образца породы (мм) после его замачивания при той же нагрузке ?; h0 - высота того же образца породы (мм) естественного сложения и влажности, уплотненного в компрессионном приборе нагрузкой ? (кгc/см²), равной весу вышележащих пород (природная нагрузка).

В соответствии со СНиП П-Б.2-62 к просадочным относятся породы, имеющие коэффициент насыщения меньше 0,6 и значение

,

где е0 - коэффициент пористости породы естественного сложения и влажности; еТ - коэффициент пористости той же породы при влажности на пределе текучести.

Изучение и оценку просадочности лёссовых пород производят по данным испытаний в лабораторных и в полевых условиях. В практике инженерно-геологических изысканий используются косвенные и прямые показатели для оценки просадочности.

К косвенным признакам относятся: большое содержание пылеватой фракции и легкорастворимых солей; высокая пористость и быстрая размокаемость; малая влажность и наличие на поверхности земли различных западин, обычно сглаженных очертаний.

Прямые показатели просадочности устанавливаются лабораторными и натурными экспериментами. По компрессионным испытаниям по схемам одной и двух кривых определяют относительную просадочность в долях единицы или процентах:

,

где h' - высота образца лёсса с естественной влажностью, уплотненного без бокового расширения под нагрузкой Р, заданной или равной природной с учетом дополнительной от массы сооружения, в зависимости от задачи оцениваемых деформаций; hпр - при полном водонасыщении и давлении Р; ho - с естественной влажностью, уплотненного при природной или заданной нагрузке, в том числе и от массы сооружения.

При испытании породы по методу двух кривых представляется возможным выявить, при какой уплотняющей нагрузке порода обладает максимальной просадочностыо.

Результаты испытаний изображают в виде компрессионных кривых (рис.) и по ним определяют значения еm и аm.

Компрессионные кривые лёссовых пород при испытании по методу одной (а) и двух (б) кривых: 1 - кривая для образца естественной влажности; 2 - кривая для искусственно увлажненного образца

За начальное просадочное давление Рпр принимается минимальное, при котором возникает дополнительное уплотнение при полном водо-насыщении, по лабораторным испытаниям показатель 0,01.

В полевых условиях просадочность лёссовых пород исследуют испытанием в шурфах или скважинах методом пробных нагрузок. При натурных штамповых испытаниях в условиях предварительного замачивания грунтов просадочное давление равно пределу пропорциональности на графике "осадка штампа - нагрузка". При замачивании лёссовых пород в котлованах за Рпр принимается давление, равное природному на глубине, с которой возникает просадка от собственного веса.

Показателем просадочности М (изменяется от 2 до 18) при этом является отношение величины просадки опытного штампа от замачивания Sпр к величине осадки его только от нагрузки Sос т.е.

М=.

Просадочность лёссовых пород может изменяться в пределах одного строительного участка по простиранию и на глубину.

Согласно СНиП II-15-74 предварительная оценка просадочности лёссовых пород при степени влажности менее 0,8 может производиться по показателю естественной уплотненности П в зависимости от числа пластичности /р, выраженном в долях единицы.

Грунты просадочны, если П < 0,1 при 0,01 < /р < 0,1;

П < 0,17 при 0,1 < /р < 0,14;

П < 0,24 при 0,14 < /р < 0,24.

Показатель уплотненности П определяется по формуле

П = ,

где ef - коэффициент пористости, соответствующий влажности грунта на пределе текучести wf ; e - коэффициент пористости природного сложения и влажности.

В СНиП П-Б.2-62 лёссовые породы в зависимости от склонности к просадкам от их собственного веса при замачивании подразделяются на два типа:

I тип - просадка от собственного веса не превышает 5 см, т.е. практически мала;

II тип - просадка от собственного веса превышает 5 см, т. е. становится достаточно заметной, значительной.

Общая просадка и ее неравномерность зависят от суммарной мощности просадочных пород в активной зоне сооружения, условий и длительности их замачивания и может возникнуть в любой момент его эксплуатации. Она возрастает с увеличением мощности лёссовых пород, а ее неравномерность увеличивается при местном (локальном) и длительном замачивании. Просадка развивается по мере продвижения воды в толщу пород и увеличения зоны замачивания.

Общая величина просадки слоистой толщи в основании сооружений:

Sпр = ,

где - относительная просадочность каждого слоя при суммарном давлении природного и от массы сооружения и при полном водонасыщении (или ami - коэффициент относительной просадочности каждого слоя породы в пределах основания сооружения при средней действующей нагрузке в его пределах); hi - мощность каждого слоя породы, выделенного в активной зоне основания сооружения; N - число слоев в зоне давления от сооружения; N' - то же, ниже зоны влияния сооружения; m - коэффициент условий работы основания, учитывающий размеры фундамента и величины давлений от сооружений, равный 2 для слоя, непосредственно примыкающего к подошве фундамента, и 1,5 - для всех нижележащих (СНиП II-15-74) п. 13, прил. 3), i - число слоев, выделенных в активной зоне основания сооружения.

Классификация толщ макропористых лёссовых пород по величине просадочности (Ю.М. Абелев)

I категория: Snp < 15 см - толща практически устойчивая при замачивании;

II категория: 15 см < Snp <50 см - толща малопросадочная при замачивании; III категория: 50 см <Snp<100 см - сильно просадочная при замачивании.

Зная категорию толщи лёссовых пород по величине просадочности, можно оценивать степень опасности замачивания пород в основании сооружений и определять вид инженерных мероприятий для обеспечения их устойчивости.

При проектировании фундаментов сооружений на просадочных грунтах необходимо в первую очередь установить причины их возможного замачивания:

- источники водных коммуникаций;

- замачивание поверхностными водами;

- замачивание вследствие поднятия уровня подземных вод и др.

В зависимости от геологического строения участка и глубины залегания грунтовых вод гидродинамические схемы дополнительного техногенного обводнения и развития просадочности в лёссовых породах различны.

Причины возможного замачивания лессовых пород должны быть устранены до строительства сооружения.

Задачи комплексных инженерно-геологических изысканий в районах распространения просадочных лёссов следующие:

- геологическое изучение строения, возраста, формирования и геоморфологии лёссовых толщ с учетом стратиграфии новейших отложений и неотектоники;

- климатогидрологическое изучение - анализ палео- и современных климатических и гидрологических факторов;

- гидрогеологическое - распространение и режим подземных вод в лёссовых толщах и окружающих породах, гидравлическая связь между водоносными комплексами, распределение напоров и разгрузка вод в природные дрены; анализ палеогидрогеологических условий при осадконакоплении и в процессе облессования толщ; разработка современных гидродинамических зон в лёссовых и окружающих массивах пород, их изменение и образование новых зон под влиянием техногенной фильтрации.

- инженерно-геологическое - характеристика степени просадочности отдельных горизонтов и всей толщи в природных и техногенно измененных гидрогеологических условиях в целях прогноза и оценки устойчивости сооружений и территории и рекомендации укрепительных мероприятий.

Эта задача включает детальное изучение на опорных разрезах площадки или района строительства:

1) минерально-гранулометрического и солевого состава лёссов для разделения толщи на литологические разновидности;

2) естественной влажности и плотности;

3) водопроницаемости лёссов и подстилающих пород в вертикальном и горизонтальном направлениях для выяснения фильтрационной анизотропии толщи выше и ниже (где установлен) уровня грунтовых вод;

4) природы и величин просадочности лёссов в естественных условиях для каждого горизонта.

По результатам исследований толща лёссов разделяется на инженерно-геологические элементы, которые являются исходными данными для прогноза просадочности. Он является приближенным; необходимы длительные наблюдения за развитием: зон увлажнения, просадочности и деформации сооружений.

Нарушения устойчивости сооружений в большинстве случаев связаны с различными видами случайного замачивания лёссовых пород (скопление дождевых и талых вод в связи с отсутствием или нарушением регуляции поверхностного стока, отсутствие гидроизоляции, утечки из подземных водокоммуникаций, подъемом уровня подземных вод, неорганизованном сбросе производственных вод, промораживание и оттаивание строительных котлованов и т.д.). Случайное замачивание вначале обычно происходит на локальном участке, а затем распространяется по площади и на глубину. В начальный момент оно вызывает резкую неравномерную просадку, которая впоследствии увеличивается медленнее с ростом общей средней просадки. Такое развитие деформаций лёссовых пород и составляет большую опасность для устойчивости и сохранности сооружений.

Неизбежное замачивание лёссовых пород происходит при орошении земель, строительстве каналов, водохранилищ и т. д.

Выбор мероприятий по обеспечению устойчивости и эксплуатационной пригодности зданий и сооружений, возводимых на лёссовых просадочных породах, 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.

Водозащитные мероприятия предусматривают планировку строительных площадок для отвода поверхностных вод, гидроизоляцию поверхности земли, предохранение зданий от утечек воды из водопроводов, устройство водонепроницаемых полов, покрытий, отмосток и т.д.

Конструктивные мероприятия рассчитаны на приспособление объектов к возможным неравномерным осадкам: повышение жесткости стен и прочности стыков, армирование зданий поясами, применение свайных и уширенных фундаментов; маломощные просадочные грунты прорезаются глубокими фундаментами, в том числе свайными.

Методы устранения просадочных свойств подразделяют на две группы:

* улучшение пород с применением механических методов;

* физико-химические способы улучшения.

Механические методы преобразуют породы либо с поверхности, либо в глубине толщ. Поверхностное уплотнение производят трамбовкой, 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. Применяют песчаные и грунтовые подушки, грунто-цементные опоры.

К физико-химическим способам относят: обжиг грунтов через скважины, силикатизацию, цементацию и глинизацию, обработку различными солями, укрепление органическими веществами (битум, смолы и др.).

Размещено на Allbest.ru