Природа (физические причины) длительного протекания деформаций в грунте.

В отличие большинства твердых конструкционных материалов (сталь, бетон, железобетон, кирпич и т.д.), деформации которых реализуются в первые же секунды после приложения нагрузки, грунты в основаниях деформируются очень медленно месяцы, годы, десятилетия (иногда даже столетия). Это связано с двумя причинами:

- в порах грунта находиться вода, которую необходимо «выдавить», чтобы грунт уплотнился, а быстрое перемещение воды в грунте, особенно глинистом, невозможно;

- твердая часть (скелет) грунта обладает вязкопластичными свойствами, т.е. для развития в нем деформаций также необходимо время.

К. Терцаги предложил мысленную модель деформаций водонасыщеного грунта, которая очень наглядно иллюстрирует происходящие в нем процессы. Модель представляет сосуд с пористым поршнем и пружиной, на которую этот поршень опирается, при этом внутренний объем сосуда заполнен водой. Пружина отображает скелет грунта. В первый момент вся нагрузка, передаваемая через поршень, воспринимается водой, в пружине (скелете грунта) на этой стадии напряжений не возникает. Затем вода постепенно выдавливается (фильтруется) через щели в поршне, и нагрузка постепенно передается на пружину (скелет грунта), которая по мере нагружения сжимается. В конечном итоге пружина воспримет всю нагрузку, а давление в воде упадет до нуля.

модель деформирования водонасыщенного грунта:
а– начальное состояние, б – конечное состояние

Раздел механики грунтов, изучающий механические процессы, связанные с выдавливанием воды из пор грунта под действием нагрузки, называется теорией фильтрационной (первичной) консолидации. Эта теория основывается на идее К. Терцаги, который в 1924 г. показал, что процесс выдавливания воды из нагруженной зоны грунта может иметь ту же математическую модель (описываться тем же дифференциальным уравнением), что и распространение тепла в нагреваемом материале.

Данная идея получила дальнейшее развитие в трудах очень большого числа специалистов во всем мире, и, особенно, в нашей стране. Теория фильтрационной консолидации позволила рассматривать деформации водонасыщенных оснований как процесс, развивающийся во времени. Разработаны практические методы расчеты деформаций, ожидаемых через то или иное количество месяцев после приложения нагрузки. Необходимо лишь отметить, что строительная практика второй половины ХХ века показала, что поведение грунта под нагрузкой значительно сложнее, чем это представлял себе К. Терцаги. Тем не менее, теория фильтрационной консолидации своего значения не утратила. До настоящего времени в нормах большинства стран прогнозирование осадок во времени в значительной мере основывается на теории фильтрационной консолидации (особенно для гидротехнических объектов).

Раздел механики грунтов, изучающий процессы сопротивляемости уплотнению самого скелета грунта, называется теорией вторичной консолидации (теорией ползучести скелета). Ее методы наиболее эффективны для грунтов средней и малой степени водонасыщения, т.е. когда не все поры грунта заполнены водой.

В обеих теориях используется понятие «степень консолидации» U, которое отражает долю реализации деформаций. Например, в первый момент нагружения, когда деформации еще не начались, U=0; при реализации 50% деформаций U=0,5, при реализации 100% деформаций U=1. Естественно, что способы определения степени консолидации U в упомянутых теориях различны.

Фактически в основаниях развиваются параллельно как процессы фильтрационной (первичной) консолидации, так и процессы вторичной консолидации (ползучести скелета), но в водонасыщенных грунтах превалируют процессы фильтрационной консолидации. В отечественных нормах проектирования оснований сооружений (СниП 2.02.01-83*) учитываются оба фактора. Осадка в момент времени t определяется по формуле:

где S_t и S – соответственно осадка в момент времени t и конечная осадка;

U₁ и U₂ – соответственно степени превичной и вторичной консолидации грунта; а – величина, зависящая от вязкопластичных свойств грунта, определяемая по результатам компрессионных испытаний.

Особые свойства грунта.

Особые свойства грунта отражают его способность резко изменять свое состояние и объем при различных воздействиях – замачивания, замораживания, вибрации и т.д. Общепринятого названия для таких свойств пока не установлено, поэтому их называют не только «особыми», но и «специфическими», «структурными» и даже «физико-химическими». Такими свойствами обладают не все грунты, а только некоторые их виды. В нормах по инженерным изысканиям (СниП 11-02-96) грунты с такими свойствами отнесены к «специфическим грунтам» (включающим, в частности, и многолетнемерзлые грунты).

К особым свойствам обычно относят размягчаемость, просадочность, набухаемость, пучинистость, плывунность и тиксотропность (чувствительность).

Размягчаемость – способность грунта (обычно полускального) снижать свою прочность при насыщении водой. Размягчаемыми считаются грунты, у которых это снижение превышает 25%.

Просадочность – способность грунта при замачивании не только снижать свою прочность, но и резко уменьшаться в объеме под действием собственного веса или внешней нагрузки. Примерно 15% территории России и стран СНГ характеризуются наличием просадочных грунтов. Просадки таких грунтов – довольно частая причина аварийных состояний строящихся и эксплуатируемых зданий, особенно в южных районах нашей страны.К просадочным грунтам относятся грунты, которые при замачивании дают относительную деформацию не менее 0,01м, что обычно устанавливается путем их компрессионных испытаний с замачиванием.Просадочные грунты, которые при замачивании в полевых условиях (в котлованах) дают под действием собственного веса просадку менее 5см, относятся к грунта первого типа просадочности, более 5см – второго типа.Наиболее типичной разновидностью просадочных грунтов являются лёссы. Это разновидность пылеватых суглинков желто-бурого цвета, малой влажности, с крупными порами («макропористые»). Они характерны для южных районов страны. В средней полосе и на севере более типичны лёссовидные грунты. Это разновидность делювиальных пылеватых суглинков, имеющих сходство с лёссами (наличие крупных пор, малая влажность и т.д.), но обладающих меньшей просадочнотью. В Башкортостане лёссов нет, но лёссовидные грунты имеются (преимущественно первый тип просадочности).

Строительство на просадочных грунтах может основываться на следующих принципах:

- устранение просадочности (трамбование с замачиванием или без него, химическое закрепление, обжиг и т.д.);

- прорезка просадочного слоя сваями;

- приспособление возводимых зданий или сооружений к неравномерным дефомациям;

- предотвращение замачивания.

Последние два принципа обычно применяется при слабо выраженной просадочности. Они предполагают увеличение жесткости зданий путем введения в стены железобетонных поясов, армирование кладки, применение монолитных железобетонных подвалов, или, напротив, увеличение гибкости проектируемых объектов путем их разделения на отсеки осадочными швами.

Набухаемость – способность грунтов при замачивании увеличивать свой объем. К набухающим относятся грунты, которые при замачивании без нагрузки дают относительную деформацию набухания (увеличения линейных размеров) не менее 0,04. Набухаемостью обычно обладают некоторые глины или суглинки, имеющие высокую плотность и малую влажность. При уменьшении влажности набухающие грунты дают усадку, выражающуюся в появлении трещин.Строительство на набухающих грунтах обычно основывается на применении свайных фундаментов, приспособлении возводимых зданий или сооружений к неравномерным деформациям, предотвращении замачивания.В Башкортостане набухающие грунты встречаются очень редко.

Пучинистость (морозное пучение) – способность грунтов увеличивать свой объем при замерзании. Замерзающий грунт способен всасывать в себя воду из окружающих не промерзших зон, в связи с чем в нем могут образовываться большие линзы льда. В отличие от просадочности и набухаемости, пучинистость характерна для большинства глинистых грунтов, а также мелких пылеватых песков на всей территории России. По этой причине пучение и последующее оттаивание является основной причиной недопустимых деформаций строящихся зданий, когда нагрузки на основания еще далеки от расчетных величин.Главное средство борьбы с опасностью пучения – предотвращение промерзания основания (закладка фундамента ниже уровня промерзания грунта, а при строительстве в зимних условиях – недопущение промораживания дна котлованов, в том числе утепление котлованов опилками, сухими листьями, минераловатными матами и т.д.)В Башкортостане пучинистость грунтов проявляется в той или иной форме повсеместно, так как песков на территории республики очень мало.

Плывунность – способность грунтов приобретать свойства вязкой жидкости, т.е. течь, оплывать при устройстве котлованов и траншей. Плывунными обычно бывают мелкозернистые и пылеватые пески, содержащие коллоидные частицы (менее 0,0001мм), которые выполняют функцию смазки. Если плывунность грунтов проявляется только при интенсивной фильтрации через них воды, то такие грунты называют ложными плывунами, если плывунность проявляется во всех условиях – истинными плывунами.

Тиксотропность (чувствительность) – способность грунтов при резких механических воздействиях разрушать свою структуру, течь, а при последующем отсутствии таких воздействий – восстанавливать структурные связи. Таким свойством обладают обычно водонасыщенные высокопластичные глины. Они способны при перемятии снижать свою прочность в несколько раз, иногда в десятки раз. На севере Западной Европы имеются глины, которые снижают свою прочность при нарушении структуры в 1000 раз.В Башкортостане большинство глин при нарушении структуры снижает свою прочность лишь на 10…20%.Наиболее известные факты проявления тикситропии в строительной практике – возрастание несущей способности свай в первые 3…6 недель после их забивки («эффект засасывания»).