Физические процессы при деформировании грунтов

Физические процессы при деформировании грунтов

Особенности деформирования грунтов по-разному проявляются у различных видов грунтов и существенно зависят от состояния грунта и интенсивности действующих нагрузок.

Монолитные скальные грунты при нагрузках, возникающих в результате строительства промышленных и гражданских сооружений, обычно могут рассматриваться как практически недеформируемые тела. Однако трещиноватая скала и разборный скальный грунт обладают некоторой деформируемостью. Разрушенные структурные связи в скальных грунтах со временем не восстанавливаются.

Объемные деформации крупнообломочных и однородных по гранулометрическому составу песчаных грунтов в значительной степени обусловливаются упругим сжатием частиц, а по мере увеличения нагрузки – пластическим разрушением контактов между ними. В неоднородных песках будут развиваться значительные деформации уплотнения. В водонасыщенных песчаных грунтах это сопровождается отжатием воды из пор. Поскольку размеры пор в песчаных грунтах относительно велики, процесс консолидации в них протекает значительно быстрее, чем в глинистых грунтах. Сдвиговые деформации в крупнообломочных и песчаных грунтах происходят за счет взаимного перемещения частиц с учетом разрушения контактов.

Наиболее сложно развивается процесс деформирования в глинистых грунтах. Объемные деформации в них связаны с более плотной переупаковкой частиц, окруженных пленками связанной воды, с уменьшением объема пор, с отжатием поровой воды и упругим сжатием защемленных пузырьков воздуха. Сдвиговые деформации в глинистых грунтах главным образом связаны с перемещением и переупаковкой частиц, окруженных гидратной оболочкой.

Интенсивность проявления деформаций в глинистых грунтах в большой мере зависит от характера структурных связей и величины действующих нагрузок. При нагрузках, не превышающих структурной прочности, глинистые грунты могут проявлять упругие свойства. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает постепенное разрушение структурных связей и интенсивное уплотнение грунта. Разрушенные водно-коллоидные связи со временем восстанавливаются, и после уплотнения глинистого грунта наблюдается его упрочнение.

Размеры пор в глинистых грунтах крайне малы, поэтому процесс консолидации в них протекает очень медленно. Деформации могут не стабилизироваться в течение многих месяцев, лет, даже десятилетий. Также медленно могут развиваться и процессы ползучести, связанные с взаимным смещением частиц, окруженных водными пленками, поворотом, изгибом и разрушением отдельных частиц.

Структурно-неустойчивые грунты

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

 Этим грунтам свойственна общая особенность – способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эксплуатации сооружений воздействиях: при нагревании – для одних, увлажнении – для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии – для третьих типов грунтов. Это, в свою очередь, приводит также к резкому уменьшению прочности и несущей способности оснований, развитию недопустимых для сооружения деформаций.

Мерзлые и вечномерзлые грунты

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

Мерзлые и вечномерзлые грунты из-за наличия в них льдоцементных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми природными образованиями. Однако при повышении или понижении температуры (даже в области отрицательных температур) за счет оттаивания льда или замерзания части поровой воды их свойства могут изменяться. При оттаивании порового льда структурные льдоцементные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно сильнольдистые пылевато-глинистые грунты, при этом могут переходить в разжиженное состояние. Важнейшей особенностью мерзлых грунтов является их просадочность при оттаивании – резкое уменьшение объема грунта при таянии льда и отжатии воды, что приводит к чрезмерным деформациям построенных на этих грунтах сооружений.

Лёссовые грунты (лёссы)

Лёссовые грунты по составу, структурно-текстурным признакам, а следовательно, и механическим свойствам существенно отличаются от всех других горных пород. Твердые частицы лёссовых грунтов на 80…90% состоят из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По крупности до 60%, иногда даже до 90% твердых частиц относится к пылеватым, остальные - к глинистым, лишь малая часть – к песчаным фракциям. По гранулометрическому составу и числу пластичности лёссовые грунты относятся к пылеватым супесям и суглинкам. Влажность лёссовых грунтов в естественном состоянии обычно не превышает 0,08…0,16, степень влажность менее 0,5, пористость – 0,4…0,5.

У лёссовых грунтов размер пор значительно превышает размер частиц грунта. Именно в связи с таким соотношением диаметра пор и диаметр частиц лёссовые грунты называют макропористыми.

При природной влажности лёссовые грунты за счет цементационных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой более 10 м. Увлажнение лёссов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения – просадками. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными. Просадочность грунта при замачивании водой оценивается величиной относительной просадочности: , где  - коэффициент пористости в природном состоянии. При  грунт считается просадочным.

Набухающие грунты

К набухающим грунтам относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов(монтмориллонит, каолинит, гидрослюды) и малой влажность в природном состоянии (). 

Поступающая в набухающие грунты влага адсорбируется поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объема грунта. Часть воды проникает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к увеличению объема грунта. При уменьшении влажности набухающих грунтов возникает их осадка, приводящая к объемным деформациям. Таким образом, набухающие грунты отличаются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшением объема) при высыхании.

Увлажнение может быть вызвано повышением уровня подземных вод, накоплением дополнительной влаги под сооружением из-за нарушения природных условий испарения воды из грунта, например, при экранировании его поверхности построенным сооружением. Уменьшение влажности грунта обычно связано с технологическими или климатическими факторами.

Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.

В зависимости от величины относительного набухания , определяемой без нагрузки, грунты подразделяются на: слабонабухающие , средненабухающие , сильнонабухающие . Здесь,  - высота образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения при полном водонасыщении,  - первоначальная высота образца при природной влажности.

Слабые водонасыщенные грунты

К слабым водонасыщенным грунтам относят илы, ленточные глины, водонасыщенные лёссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов характерными особенностями которых являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и большая деформируемость.

Илами называют водонасыщенные современные осадки водоемов (морские, лагунные, озерные, речные, болотные илы), образовавшиеся при наличии микробиологических процессов. Влажность илов превышает влажность на границе текучести (), коэффициент пористости . В илах преобладают глинистая и пылеватая фракция, может присутствовать мелкопесчаная фракция. Органические образования в илах составляют от 2 до 12% по массе. Различают: супесчаные илы , суглинистые илы  и глинистые илы . Структура илов легко разрушается при статических нагрузках, превышающих структурную прочность, и особенно при воздействии динамических нагрузок. Однако со временем водно-коллоидные связи в илах восстанавливаются и уплотненный илистый грунт упрочняется.

Ленточные глины (ленточные отложения) – это толща грунтов, состоящая из близкого к горизонтали переслаивания тонких и тончайших (несколько сантиметров и даже менее сантиметра) прослоев песка, супеси, суглинка и глины. Суммарная мощность (толщина) ленточных отложений может достигать 10 м и более. Их слоистая структура вызывает анизотропию свойств.

В естественном состоянии ленточные отложения имеют высокую пористость. Коэффициент пористости обычно равен 0,7…0,8, иногда превышает единицу. Грунты обычно находятся в водонасыщенном состоянии. Естественная влажность обычно равна 0,3…0,5, но может достигать и 0,7…0,8, тогда как влажность на пределе текучести не превышает 0,6…0,65. Следовательно, ленточные отложения находятся в скрытопластичном состоянии или даже в скрытотекучем состоянии. Высокое значение пористости и большая влажность ленточных глин свидетельствуют об их малой прочности и сильной деформируемости под нагрузками.

Торфы и заторфованные грунты.

Торфом называют органоминеральные отложения, не менее чем на 50% состоящие из остатков болотной растительности.

Песчаные, пылеватые и глинистые грунты, содержащие в своем составе от 10 до 50% по массе органических веществ, называют заторфованными грунтами.

Состояние и свойства торфа и заторфованных грунтов в большой мере зависят от степени разложения органических остатков, переходящих в гумус, и относительного содержания в них неорганических минералов. Плотность торфа обычно не превышает 1…1,2 г/см3. В природных условиях торф и заторфованные грунты, как правило, находятся в водонасыщенном состоянии. Торфы относятся к наиболее сжимаемым грунтам. Из-за большого содержания в торфах связанной воды осадки оснований, сложенных торфом или содержащих включения заторфованных грунтов, развиваются медленно. Несущая способность торфа и заторфованных грунтов крайне невелика. Поэтому напластования, содержащие заторфованные грунты, являются одним из наихудших типов оснований сооружений.

Засоленные грунты

К засоленным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые грунты, содержащие определенное количество легко –и среднерастворимых солей.

Легкорастворимыми солями являются хлористые, сернокислые и карбонатные соли натрия, калия и магния, среднерастворимыми – сульфат кальция (гипс), ангидрит, кальцит.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связана с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого неравномерных просадок. 

Насыпные грунты

К насыпным грунтам относятся грунты природного происхождения с нарушенной естественной структурой, а также минеральные отходы промышленного производства, твердые бытовые отходы, образовавшиеся их отсыпкой или гидронамывом.

Территории, занятые насыпными грунтами, обычно представляют собой бывшие овраги, пруды и т.п. Рельеф засыпаемых участков, как правило, сильно изрезан, поэтому мощность насыпных грунтов часто бывает весьма неравномерна. В насыпных грунтах постепенно происходят различные физические, физико-химические, биологические и другие процессы, приводящие, с одной стороны, к их самоуплотнению, упрочнению, с другой к распаду, к разложению как структуры отдельных агрегатов, так и отдельных частиц, т.е. к разупрочнению. Это в свою очередь сильно сказывается на их физические и механические свойства.