Файл: Мустафаев, А. А. Вопросы расчета зданий и сооружений на просадочных грунтах учебное пособие.pdf

ими лессов Северного Кавказа они считали выщелачивание солеи, происходящее при их увлажнении. Другие исследовате­ ли (Замарин Е. А., М. М. Решеткин, Глаголев А. Г., Мавлянов Г. А.) связывают просадочность лессовых грунтов с высо­ кой пористостью и присутствием в них воднорастворимых со­ лей.

Большинство гипотез, объясняющих сущность явления просадочности (Б. Б. Полынов, Ф. И. Воронов, Ф. Л. Андрухин, Г. II. Архангельский, Ф. П. Саваренский, Л. П. Розов и др.), сводится к тому, что причиной сил сцепления в лессо­ вых грунтах являются разного рода воднорастворимые соли, которые играют роль цемента между отдельными частицами грунтового скелета и обеспечивают кажущуюся связность грун­ та при естественной его влажности. Таким образом, согласно этой концепции, причиной образования просадки при увлаж­ нении толщи лессовых грунтов является растворение цемен­ тирующих солей.

Более детальные исследования просадочности лессовых грунтов в связи с различным содержанием в них воднораство­ римых солей установили явное несоответствие между величи­ ной просадочности и количеством содержащихся в них водно­ растворимых солей; Н. Я. Денисов и А. М. Дранников [б], критикуя солевую гипотезу, доказывали, что соли вследствие их цементирующего действия могут снижать просадочность лессовых пород, но однако растворение их при увлажнении не может служить причиной возникновения в них значительных по величине и неравномерных по характеру дополнительных деформаций. Н. Я- Денисов на примерах майкопских, юрских, хвалынских глин, обладающих большой пористостью и нали­ чием крупных пор, указал на то, что просадочность связана с высокой пористостью, но одной только высокой пористостью не может быть объяснено возникновение просадочности поро­ ды, так как наличие макропор характерно также и другим глинистым просадочным породам. Кроме того, согласно Н. Я. Денисову [7], макропоры не только не оплывают, способствуя просадке породы, а наоборот многие из них остаются в породе устойчивыми элементами строения после проявления просад­ ки. Были попытки также объяснить причину возникновения просадки лессовых грунтов вследствие исчезновения менисков воды между частицами при их насыщении водой, согласно ка­ пиллярной теории К. Терцаги.

Более обоснованная интерпретация процесса просадки, ис­ ходя из фпзико-хнмии, дана Н. Я. Денисовым [2], согласно которой прочность лессовых грунтов в естественном состоянии обусловлена в основном углекислым и сернокислым кальцием,

9

создающими сцепление упрочнения Путем цементирующего влияния пленок этих солей, обволакивающих частицы грунта. Сцепление упрочнения между частицами п их агрегатами яв­ ляется маловодостойким п поэтому под действием влаги оно существенно снижается, создавая благоприятные условия для отрыва одних структурных элементов от других, т. е. «рас­ пыление» грунта. Природа распиливающего влияния влаги при этом объясняется как расклинивающим воздействием тон­ ких пленок воды (по Б. В. Дерягину), так и ее растворяю­ щим. Расклинивающее и снижающее трение влияния топких пленок воды проявляется потому, что и частицам лессовых грунтов н природному цементу, объединяющему их в агрегаты, присуща гндрофнльность.

Объяснение причин и сущности просадочного процесса внесли детальные исследования структурных особенностей лессовых пород, проведенные Ларионовым А. К. [8]. Просад­ ка, по его мнению, возникает под воздействием воды в резуль­ тате разрушения структуры лессовой породы и взаимосвязана

ссоставом, структурными особенностями и рядом физических

имеханических свойств породы, свидетельствующих о много­ гранности этого явления.

Просадочные деформации в лессовых грунтах обычно рас­ сматриваются, как процесс перехода грунтов из недоуплотненного состояния в состояние нормальной плотности под влиянием ннфнльтрационного движения влаги. Процесс этот носит динамический характер и имеет вполне определенные закономерности.

Просадка в лессовых грунтах в условиях их природного напряженного состояния возникает не с момента замачивания, а по истечении некоторого времени, за которое вода успевает свободно просочиться на определенную глубину. При этом па этой глубине, определяемой значением «начального давления просадочностн» влажность грунта по прошествии определен­ ного периода времени достигает значения «критической влаж­ ности».

В результате увлажнения сцепление лессового грунта, об­ условленное цементирующим действием углекислот, извести, гипса и других солей, обволакивающих их частицы, под действием некоторого значения сжимающего давления на­ рушается. Это условие ведет к тому, что частицы грунта при­ обретают способность к относительному сдвигу под нагрузкой. При этом вертикальные столбики грунта, выделяемые услов­ но в вышележащих слоях грунта, теряя под собой устойчивые в естественном состоянии основания, под действием собствен­ ного веса опускаются вертикально вниз. Величина просадки,

10

возникающей в основаниях этих столбиков, полностью перено­ силась бы на дневную поверхность грунта, если бы сами стол­ бики при этом не подвергались деформации. Однако дефор­ мация в зоне возникновения просадки вызывает в опускаю­ щихся столбиках грунта соответствующее напряженное состоя­ ние, которое затухает по мере приближения к поверхности пропорционально градиенту скорости относительных переме­ щений частиц грунта.

Таким образом, основная деформация грунта в рассматри­ ваемых условиях возникает на определенной глубине замачи­ ваемой толщи. Деформации же верхних слоев грунта, являю­ щиеся следствием основной деформации увлажняемой толщи, имеют, как правило, незначительные величины и поэтому в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

Известно также, что просадка в лессовых грунтах в усло­ виях природного напряженного состояния 'может возникать гут же после замачивания или по истечении нескольких дней, а также в конце нескольких месяцев с момента непрерывного замачивания. При этом характерно, что абсолютная величина просадки тем меньше, чем позже наступает просадка. Возмо­ жен также случай, когда просадка в лессовых грунтах прояв­ ляется на продолжительном отрезке времени с малым прира­ щением величины деформации. Во всех отмеченных случаях механизм нарушения структурной прочности грунта, по-видн- мому, определяется особенностью физико-химического влияния воды, разрушающей пленки цементирующих веществ в строе­ нии структуры грунта.

Таким образом, в зависимости от темпа ослабления цемен­ тационных связей определится и время наступления наруше­ ния структурной прочности грунта, а, следовательно, и период возникновения и развития просадочных процессов в замачи­ ваемых толщах лессовых грунтов.

Как показывают опыты и натурные наблюдения, условия возникновения просадки, помимо значений действующих на­ пряжений («начальное давление»), существенно зависят также от влажности грунта. Только при определенном для данного состояния грунта значении влажности («начальная влаж­ ность») лессовый грунт теряет структурную прочность и соз­ даются условия возникновения существенных по величине и неравномерных по характеру деформаций увлажняемой тол­ щи грунта. Величина «начальной влажности» зависит не толь­ ко от физического состояния грунта, а также и от значений действующих напряжений. По мере насыщения грунта водой в соответствии с фронтом распространения влаги все большая область грунта подвергается просадочному процессу.

11

Закономерности динамики просадки строятся исходя пн указанной связи, т. е. принимается, что динамика просадки связана с динамикой насыщения толщи грунта инфильтрацнонной влагой. При этом связь просадки со временем осуществит­ ся через функцию влажности. Другими словами, просадка принимается зависящей от влажности грунта, а степень влаж­ ности, в свою очередь, от времени, т. е. от продолжительно­ сти увлажнения.

§2. Зависимость между относительной просадкой

иуплотняющим напряжением

Как показывают многочисленные лабораторные и натур­ ные экспериментальные исследования, напряженно-деформи- руемое состояние в увлажняемых лессовых грунтах достаточ­ но удовлетворительно описывается закономерностями нели- пейно-деформируемой среды.

Согласно экспериментальным данным нелинейная с начала нагружения зависимость между относительной просадкой и уплотняющим напряжением в условиях компрессии в виде мо­ нотонно возрастающей кривой, может быть с достаточной сте­ пенью точности аппроксимирована степенной функцией вида:

Д/ij

(1-1)

где р0 и /По — определяемые по данным компрессионных испы­ таний параметры, характеризующие деформируемость лессо­ вых грунтов при их увлажнении в широком диапазоне измене­ ния уплотняющей нагрузки. Параметр р0 — соответствует об­ ратной величине модуля общей деформации грунта, а т0 — отвлеченное число. Зависимость (1.1) является более обобщен­

ной, так как из нее, как частный случай, при р0 — — =Consl

Eq

и то = 1 вытекает широко применяемая в настоящее время в механике грунтов линейная зависимость между общими де­ формациями и напряжениями для обычных непросадочиых грунтов:

Сравнение зависимостей (1. 1) и (1.2) приводит к формуле

которая также применяется в задачах механики грунтов, ког­

12

да приходится учитывать зависимость модуля общей дефор­ мации от напряженного состояния грунта.

Определение параметров |30 и т0 производится чрезвычап но просто: достаточно нанести точки, соответствующие изме­ рениям в компрессионных испытаниях значениям йп при за­ данных значениях ст, в логарифмических координатах и про­ вести через них прямую. Тангенс угла наклона этой прямой определяет значения параметра пг0, а отрезок, отсекаемый от оси /пбп —величину р0-

Опыты показывают, что значения параметров деформируе­ мости р0 и т 0 зависят от степени просадочности лессовых грун­ тов; чем больше степень просадочности грунта, тем больше ч значение этих параметров [10]. Кроме того, как показывают эксперименты [ 11], параметры деформируемости р0 и ш0 ос­ таются постоянными лишь для данного состояния грунта. Так, например, с увеличением влажности грунта значения этих па­ раметров уменьшаются.

Отметим некоторое удобство использования зависимости (1. 1) при исследовании напряженно-деформированного состоя­ ния просадочных грунтов. Известно, что в настоящее время единственным параметром деформируемости просадочных грунтов, широко используемым в практических расчетах, яв­ ляется относительная их просадочность, определяемая в ла­ бораторных условиях по результатам стандартных компрес­ сионных испытаний по методу одной или двух кривых [12, 13]. Значения этого параметра, как известно, существенно зависят от величины уплотняющей нагрузки. Поэтому при прогнози­ ровании ожидаемой просадки основания здания и сооружения возникает необходимость более точного построения эпюры уплотняющей нагрузки в пределах просадочной толщи для установления реальной величины давления, испытываемого образцами грунта в основании при их увлажнении. Известно также, что построение эпюры уплотняющей нагрузки при ра­ счетах ожидаемой просадки производится исходя из соответ­ ствующего решения теории лннейно-деформируемой среды (теории упругости). Между тем механическая модель увлаж­ няемого просадочного грунта намного отличается от модели идеального упругого тела Гука, и поэтому устанавливаемые по теории упругости напряжения в основаниях, сложенных просадочнымн грунтами, являются весьма грубым приближе­ нием к действительности. Следовательно, если располагать

параметрами деформируемости просадочного грунта, являю­ щимися так же, как и параметры (К и /п0, постоянными харак­ теристиками в широком диапазоне изменения напряжения, оче­

13