Инженерно-геологические процессы

Сложность инженерно-геологических условий площадок проектируемого сооружения обусловлена развитием в разрезе набухающих и просадочных грунтов.

Набуханием называется увеличение объема грунта в процессе смачивания. Способность к набуханию связана с гидрофильным характером глинистых минералов, слагающих связные грунты, и большой удельной поверхностью последних. Набухание — результат гидратации грунта; оно обусловлено в основном образованием в грунте рыхлосвязанной воды. Оболочки связанной воды, формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц, уменьшают силы сцепления между ними, раздвигают их и этим вызывают увеличение объема грунта.

Набухание тесно связано со связанностью грунта. В процессе набухания не только увеличивается объем грунта, но и уменьшается его связанность благодаря значительному ослаблению сцепления между отдельными грунтовыми частицами. Набухание грунтов может привести к их разрушению под действием воды — обусловить размокание грунта.

Процесс набухания носит осмотический характер. Причиной, вызывающей набухание, является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде, окружающей породу. Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации раствора, находящегося в порах породы, происходит набухание породы (оно тем больше, чем больше разница концентрации этих растворов). Если же концентрация внешнего раствора больше концентрации порового раствора, то набухание может не происходить; в этом случае может наблюдаться сжатие породы, подобное тому, какое наблюдается при ее высыхании.

При увеличении объема грунта в процессе набухания развивается определенное давление, которое называется давлением набухания. Оно может быть обнаружено и измерено с помощью внешней нагрузки. Очевидно, что давление набухания будет равно той нагрузке, при которой увеличение объема грунта наблюдаться не будет. При изучении процесса набухания следует иметь в виду, что в результате взаимодействия воды с грунтовыми частицами хотя и наблюдается увеличение объема грунта, но образовавшийся объем меньше простой суммы объемов грунта и воды, вступивших во взаимодействие. Это явление уменьшения суммарного объема в процессе взаимодействия грунта и воды называется контракцией объема.

Огромное влияние на набухание грунтов оказывает их минералогический состав и главным образом состав глинистых минералов. Минералы, имеющие подвижную кристаллическую решетку (например, группы монтмориллонита), обладают несравненно большей величиной набухания по сравнению с минералами, обладающими жесткой кристаллической решеткой (например, группы каолинита).

Молекулы воды, соприкасаясь с частицами монтмориллонита, свободно проникают между слоистыми пакетами, заставляют их раздвигаться и тем самым вызывают интенсивное набухание монтмориллонита. Это явление было доказано еще Гофманом, установившим зависимость расстояния между слоистыми пакетами кристаллической решетки монтмориллонита от содержания в нем воды. В соответствии с этим грунты, содержащие в глинистой фракции монтмориллонит, нонтронит и им подобные минералы, будут набухать сильнее, чем грунты, у которых в глинистой фракции находятся галлуазит, каолинит и другие минералы с жесткими кристаллическими решетками. Кроме того, в зависимости от минералогического состава изменяется дисперсность грунтов, которая, как показано выше, также сильно влияет на их величину набухания. Периодическое изменение влажности оказывает большое влияние на набухание грунтов. При циклическом замачивании и высушивании глинистых образцов в каждом последующем цикле подсушивания — замачивания увеличивается как степень набухания, так и давление набухания. Так, при естественной влажности степень набухания образцов хвалынских глин изменялась от 1 до 8%, а после многократного подсушивания — увлажнения при тех же значениях начальной влажности она возросла до 7,5—16%. Давление набухания в исследованных хвалынских глинах при естественной влажности не превышало 5 кГ/см2. В тех же грунтах после их цикличного подсушивания — увлажнения оно возрастало до 10 кГ/см2 и более. Величина набухания глинистых грунтов зависит от характера их сложения. С увеличением плотности образцов глинистых пород степень их набухания и давление набухания обычно возрастают. Однако искусственное уплотнение грунтов может уменьшить набухание, что обусловлено резким уменьшением их водопроницаемости, в результате чего некоторая часть грунта становится недоступной для воды. При механическом нарушении целостности такого образца и появлении в нем трещин набухание будет больше в более плотных грунтах. Нарушение естественной структуры грунтов способствует увеличению набухания.

Набухание глинистых грунтов также зависит от присутствия солей в растворах, циркулирующих в грунтах, их концентрации и величины рН растворов. Химический состав воды в значительной степени определяет состав обменных катионов, а следовательно, и величину набухания грунтов. Кроме того, при наличии одних и тех же солей в природной воде величина набухания грунта будет изменяться в зависимости от их концентрации. Чем больше содержание электролитов в воде, тем менее гидратированы ионы диффузного слоя грунтовых мицелл, тем меньше в грунте образуется связанной воды и, следовательно, тем меньше будет его набухание.

Деформация набухания грунтов зависит от величины внешней пригрузки, действующей на грунт. Деформация набухания снижается по мере роста пригрузки и особенно сильно — в зоне малых напряжений. Если величина внешней пригрузки равна или больше давления набухания, то деформация набухания не проявляется.

Набухание грунтов является их важным свойством, которое необходимо учитывать при проведении строительных работ. Строителям приходится иметь дело с явлением набухания грунта при вскрытии их выемками, котлованами и т. п., а также при сооружении плотин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия местности и

увеличивается влажность пород за счет вновь поступающей воды. Грунты, слагающие дно и откосы котлованов и выемок, под действием вод (чаще всего атмосферных) могут не только набухать, но и размокать, в результате чего полностью нарушается их естественная структура.

Просадка грунта — это сложный физико-химический процесс. Основным его проявлением является уплотнение грунта за счет перемещения и более компактной укладки отдельных частиц и их агрегатов, благодаря чему понижается общая пористость грунта до состояния, соответствующего действующему давлению. В связи с повышением степени плотности грунта после просадки прочностные характеристики его несколько возрастают. При дальнейшем увеличении давления процесс уплотнения лессового грунта в водонасыщенном состоянии продолжается, а вместе с этим увеличивается и его прочность. Изложенное выше показывает, что необходимыми условиями для проявления просадки грунта являются:

- наличие нагрузки от собственного веса грунта или фундамента, способной при увлажнении преодолевать силы связности грунта;

- достаточное увлажнение, при котором в значительной степени снижается прочность грунта. Под совместным влиянием этих двух факторов и происходит просадка грунта.

Характер протекания деформаций во времени на просадочных грунтах определяется их влажностью. В связи с тем что просадочные грунты обычно находятся в маловлажном состоянии, деформация сжатия их от внешней нагрузки происходит в течение сравнительно короткого времени. Просадка грунта, а в равной степени и осадка в водонасыщенном состоянии, протекают в течение более длительного времени, так как эти процессы связаны с фильтрацией воды через толщу грунта.

 

Специальная часть