Тема 11

Просадні, набухаючі, органо-мінеральні та органічні ґрунти

 

11.1. Просадні ґрунти

Просадними називають пилувато-глинисті ґрунти, які при замочуванні дають просадку (додаткову вертикальну деформацію) з величиною відносної деформації > 0,01. На відміну від звичайного осідання, просадка приводить до корінної зміни структури ґрунту. Просадка властива, насамперед, лесовим суглинкам і супіскам. Лише в окремих випадках вона може виникати в пилуватих пісках з високою структурною міцністю, а також у деяких техногенних ґрунтах (відходи промислового виробництва, насипні ґрунти й ін.).

Значення лесових ґрунтів у будівельній практиці важко переоцінити. Займаючи величезні площі (як правило, у районах найбільш обжитих і густонаселених), вони нерідко служать причиною неприпустимих деформацій будівель і споруд. У багатьох випадках це пов'язано з недостатнім врахуванням їх специфічних особливостей і в першу чергу – просадки.

Лесові (нім. loss – пухкий, незв'язний) ґрунти мають широке поширення у світі, особливо в Європі й Азії, займаючи площу близько 13 млн км2. Значні площі зайняті ними на півдні України.

Серед лесових відкладень розрізняють типовий лес, переважно еолового (вітрового) походження, та лесоподібні суглинки (перевідкладені первинні утворення). Різку границю між ними проводити важко, тому в інженерно-геологічних цілях їх звичайно поєднують єдиним терміном „лесові породи” або „лесові ґрунти”.

Умови залягання лесових порід досить одноманітні. Незалежно від гіпсометричного положення окремих позитивних форм рельєфу, вони покривають плоскі вододіли, їхні схили, поверхні високих терас і т.д.

Потужність лесових товщ змінюється від декількох метрів (у північній частині зони їхнього поширення) до 80 м і більше (південно-східна частина Передкавказзя, Західний Сибір). У світі відомі райони, де потужність лесової товщі досягає 150-200 м і навіть 400 м (лесове плато в Центральному Китаї).

Відмітні ознаки лесових ґрунтів наступні: 1) жовто-буре й палево-жовте фарбування; 2) висока пилуватість (вміст пилуватої фракції (0,05 – 0,005 мм) понад 50% при невеликій кількості глинистих часток); 3) підвищена пористість (40 – 55%) з мережею макропор (розміром 1 – 3 мм), видимих неозброєним оком; 4) невисока природна вологість, тому лесовий ґрунт, поміщений у воду, швидко розмокає; 5) здатність тримати вертикальний укіс (до 10 м); 6) висока карбонатність; 7) однорідна (нешарувата) текстура, що переривається прошарками похованого ґрунту.

Типові леси володіють повним комплексом лесових ознак, у лесоподібних порід бракує однієї або декількох лесових ознак.

Лесові породи відрізняються різкою анізотропією фільтраційних властивостей, що пов'язано з вертикальним (переважно) орієнтуванням  макропор. Із цією їхньою особливістю пов'язане повільне розтікання в сторони куполів ґрунтових вод, що нерідко формуються в лесовій товщі на міських територіях, а також досить швидкий підйом рівня ґрунтових вод (до 1 м у рік) при підтопленні.

Ще одна відмінна риса лесових порід – циклічність. Проявляється вона в ритмічному чергуванні типових лесів з похованими ґрунтами й непросадними лесоподібними суглинками.

Мінеральний склад лесових ґрунтів характеризується наявністю водостійких мінералів (кварцу, польових шпатів і ін.) – до 50 – 60%, глинистих (гідрослюди, а також каолініту, монтморилоніту й ін.) – до 15 – 30% і водорозчинних мінералів (хлориди, сульфати, карбонати й ін.) – до 5 – 15%.

Просадність лесових порід обумовлена особливостями їхнього формування в умовах сухого клімату при малій вологості, у результаті чого створюються структурні зв'язки, що сприяють виникненню й збереженню в породі „недоущільненого стану”.

Механізм просадки може бути представлений у такий спосіб. Вода, проникаючи в малозволожену високопористу пилувату лесову породу, руйнує водонестійкі структурні зв'язки, при цьому відбувається її доущільнення, пористість зменшується й приходить у відповідність із напруженим станом. Великі агрегати розпадаються, і формується більш щільне пакування часток.

Зовні цей процес виражається в зменшенні об’єму лесових порід і нерівномірному осіданні поверхні землі. На поверхні вододілів, складених лесовими породами, при зволоженні їх атмосферними опадами часто формуються просадні блюдця розмірами до 50-100 м у поперечнику й глибиною від часток метра до 1-2 м.

Незрівнянно більші просадні деформації лесових порід виражені при техногенному змочуванні (витоку води зі зрошувальних каналів, водоймищ, водонесучих комунікацій, при інтенсивному поливі парків і садів і т.д.).

Вибір заходів при будівництві на лесових просадних ґрунтах повинен здійснюватися з урахуванням: 1) типу ґрунтових умов по просадності; 2) потужності просадної товщі й розрахункової величини просадки; 3) конструктивних особливостей проектованих будівель і споруд і 4) види можливого змочування.

 

11.2. Набухаючі ґрунти.

До набухаючих відносять ґрунти, які при змочуванні збільшуються в об’ємі й мають відносну деформацію набухання без навантаження  >0,04. При висиханні набухаючі ґрунти зменшуються в об’ємі, тобто дають усадку, часто супроводжувану утворенням тріщин просідання. Процес набухання – усадки ґрунтів зворотній: чим більше набухання, тим більшою буде усадка.

Набухаючі ґрунти (головним чином це глини, значно рідше важкі суглинки) поширені на всіх континентах.

На Україні набухаючі ґрунти займають значні площі, в основному в південних районах країни з посушливим кліматом.

Для районів розвитку покривних набухаючи ґрунтів характерна незначна кількість атмосферних опадів, загальний дефіцит вологості повітря, тривалі періоди суши в літню пору.

За умовами залягання набухаючі ґрунти на відміну від лесових просадних порід можуть займати не тільки покривне положення, але й розташовуватися на значній глибині від поверхні землі. Так, наприклад, набухаючі юрські глини Курської магнітної аномалії залягають на глибині більше 400 м від поверхні землі.

Потужність набухаючих ґрунтів коливається від декількох метрів до декількох десятків метрів. Макроскопічний вигляд набухаючих ґрунтів відрізняється однорідністю й масивною текстурою. Для багатьох різновидів глин, що набухають, характерні мулистість, збагачення органічним матеріалом, мікрошаруватість. У сухому стані глини дуже щільні, отверділі й при ударі молотком розпадаються на кутасті уламки.

Формування набухаючих ґрунтів тісно пов'язане з їхнім генезисом і наступними стадіями літогенезу. Незалежно від фаціально-генетичної, вікової й регіональної приналежності для набухаючих ґрунтів, характерний ряд загальних ознак та рис. Це висока дисперсність і пластичність, монтморилоніто-гідрослюдистий склад, неводостійкий характер структурних зв'язків, значні ущільненість і міцність у сухому стані, наявність тріщин просадки (шириною від 0,1 до 15 см), що розбивають товщу глин на окремі брили й ідуть на глибину до 3-5 м і більше від поверхні землі.

Найбільшим набуханням (а отже, і найбільшою небезпекою при будівництві) володіють переущільнені слабозцементовані глини, що формуються в умовах посушливого клімату в мілководних басейнах і утримуючі у своєму складі монтморилоніт глинистий мінерал з рухливими кристалічними решітками. У будівельній практиці добре відомі монтморилонітові четвертинні, третинні і юрські глини, що створюють значні труднощі при їхньому освоєнні.

Кількісні показники процесу набухання – просадки визначаються в ґрунтознавчих лабораторіях на спеціальних приладах. Відповідно до ДСТ 24143-80, використовуються наступні показники: відносне набухання ґрунту без навантаження й під навантаженням, тиск набухання й вологість набухання.

Відносне набухання ґрунту без навантаження (вільне набрякання) визначається за формулою:

,

де hк висота зразка після набухання (кінцева) і hн – те ж до набухання (початкова).

 

Ґрунти класифікуються як набухаючі при  >0,04; слабонабухаючі 0,08 >  > 0,04; середньонабухаючі 0,12 >  > 0,08; сильнонабухаючі  > 0,12.

Відносне набухання під навантаженням визначається в інтервалі тиску від 0,5 МПа до Рsw.

Тиск набухання Рsw, МПа, – тиск, що виникає в ґрунті при змочуванні, в умовах, що виключають можливість збільшення його об’єму. Величина тиску набухання може досягати значних величин. Наприклад, для третинних глин Нижнього Поволжя воно може перевищувати 0,8-1,2 МПа, що приводить до деформацій мало навантажених будівель і споруд.

Вологість набухання Wsw вологість ґрунту після завершення процесу набухання й припинення поглинання рідини.

За показники усадки приймаються відносна усадка   об'ємне або лінійне зменшення розміру зразка при випаровуванні з нього вологи й вологість на межі усадки Wsh, тобто вологість ґрунту в момент різкого зменшення усадки; відповідає мінімальній пористості ґрунту.

Будівництво на набухаючих ґрунтах. Аналіз деформацій різних будівель і споруд, а також натурні спостереження, проведені в нашій країні й за рубежем, дозволили встановити, що набухання й усадка ґрунтів відбуваються в основному в результаті:

·        техногенного змочування (витоку з водонесучих комунікацій, фільтрація води з каналів та ін.);

·        сезонної зміни вологості набухаючих ґрунтів під впливом кліматичних факторів (зволоження в  період з жовтня-листопада до травня-червня й висихання в  літній період);

·        зміна умов випаровування вологи після забудови й асфальтування території.

Деформації усадки можуть бути пов'язані також зі штучним підсушуванням ґрунтової основи – доменними печами, теплокомунікакаціями та ін.

Для забезпечення надійної експлуатації будівель і споруд, зведених на набухаючих ґрунтах, застосовують комплекс різних заходів. У їх число входять: 1) водозахисні заходи для запобігання локального змочування ґрунтів основи; 2) заміна набухаючого ґрунту, місцевим ненабухаючим, ущільненим до заданої щільності; 3) застосування компенсуючи подушок, що вирівнюють нерівномірності підйому стрічкових фундаментів при локальному змочуванні основи; 4) повна або часткова прорізка набухаючого ґрунту фундаментами

 

11.3. Органомінеральні й органічні ґрунти

Відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТУ 25100 – 95 „Ґрунти. Класифікація”, до органомінеральних ґрунтів відносять мули, сапропелі й заторфовані ґрунти, а до органічних – торф.

Раніше в різних нормативних виданнях ці ґрунти звичайно відносили до „слабких” або „біогенних ґрунтів”. Незважаючи на успішне в цілому будівництво, як і раніше нерідкі випадки деформацій і навіть аварій різних будівель і споруд, зведених без належного інженерно-геологічного обґрунтування на ґрунтах цього типу.

Органомінеральні й органічні ґрунти в генетичному відношенні характеризуються спільністю зародження у водному або збитково зволоженому середовищі із протіканням складних мікробіологічних і біохімічних процесів розпаду органічних речовин і накопиченням осадів в анаеробних умовах.

До специфічних особливостей органомінеральних і органічних ґрунтів, які дозволяють вважати розглянуті ґрунти малопридатними для будівництва на них різних споруд, відносяться:

·        мала міцність і значна стискальність із тривалою консолідацією при ущільненні;

·        висока пористість і вологість;

·        висока гідрофільність і низька водовіддача;

·        схильність до розрідження при динамічних впливах;

·        розкладання рослинних залишків у зоні аерації;

·        наявність природного токсичного газу (метану);

·        підвищена агресивність до бетонів і корозійна активність до металевих конструкцій.

Значна й нерівномірна стискальність органомінеральних і органічних ґрунтів (модуль деформації звичайно не перевищує 5 МПа) може призводити до значних осідань будівель і споруд (в окремих випадках до 1,0-2,0 м) і до їхніх аварій.

Нижче приводиться інженерно-геологічна характеристика найголовніших видів органомінеральних і органічних ґрунтів.

Мули – водонасичені глинисті осади морських і прісноводних водойм, що утворилися при участі мікробіологічних процесів. Залежно від їхнього походження розрізняють мули морські, лиманні, болотні, озерні й річкові. Відмінні риси мулів: висока вологість, що перевищує вологість на границі текучості, тобто W > WL, коефіцієнт пористості е > 0,9, наявність органічної речовини у вигляді гумусу (до 10%), гнильний запах, темний колір та ін.

Мул – початкова стадія формування глинистої осадової породи. У процесі перетворення в міру занурення в товщу земної кори мули перетворюються в пластичні й потім ущільнені глини.

Вологість мулів коливається від 50 до 120%, підвищуючись іноді до 200%, коефіцієнт пористості від 0,9 до 2,0 і більше, вміст часток < 0,01 мм становить 30-50% по масі, а вміст часток > 0,25 мм не перевищує 5%. Міцність мулів гранично низька.

Для мулів характерні тиксотропні перетворення, тобто після механічного впливу структурні зв'язки в ґрунтах руйнуються, однак із часом вони можуть відновлюватися.

Сапропель – прісноводний озерний мул зі значним вмістом органічної речовини. Залежно від його вмісту розрізняють сапропелі органічні (> 70%), мінерально-органічні (50-70%), органомінеральні (30-50%) і мінеральні (10- 30%). За складом сапропелі бувають вапнякові, кремнеземисті й детритові. Для сапропелів характерно перешарування органічного матеріалу з піском і глиною. Вміст часток розміром більше 0,25 мм становить від 20 до 30%.

Потужність сапропелів у сучасних озерах може досягати 8-10 м, іноді до 30-40 м.

Як правило, сапропелі мають коефіцієнт пористості е > 3, для них характерні текуча консистенція й здатність до розрідження при динамічному впливі. Стискальність дуже висока, найбільше стиск відзначається на початкових стадіях навантаження.

Торф – порода темно-бурого і чорного кольору з вмістом органічної речовини більше 50%. Утворюється при відмиранні й розкладанні болотної рослинності, яка, падаючи на дно водойми, при недостачі кисню не згниває, а поступово накопичується. Коли потужність торфу досягає 0,5 м і більше, територію відносять до торфовищ.

Пористість торфів дуже висока й досягає 90 – 95 %. Щільність часток ґрунту  = 1,4 – 1,8 г/см3, щільність сухого ґрунту  = 0,2—0,4 г/см3, тому в сухому стані торф може плавати у воді. При висиханні торф дає значну усадку (40 – 50%). Показники стискальності торфу в десятки й сотні разів вище, ніж у звичайних глинистих ґрунтів.

Заторфовані органомінеральні ґрунти – піщані й пилувато-глинисті ґрунти з вмістом органічної речовини від 10 до 50%.

Будівництво на органомінеральних і органічних ґрунтах. Останнім часом, у зв'язку з гострою недостачею придатних для будівництва земель, коло використання цих у принципі малопридатних ґрунтів, розширилося.

Органомінеральні й органічні ґрунти можуть використовуватися як основи споруд, як правило, тільки після інженерної підготовки, що може здійснюватися двома способами:

·        попереднього осушення відкритими канавами або дренами, що дозволяє за 6 – 12 місяців ущільнити основу на 20 – 25%;

·        попереднього ущільнення органічних і інших ґрунтів привантаженням шару мінерального ґрунту для прискорення  процесу консолідації основи.

Після інженерної підготовки території, складеної органомінеральними й органічними ґрунтами, при будівництві на них різних будівель і споруд використовують:

1) прорізку (повну або часткову) органомінеральних і органічних ґрунтів глибокими фундаментами, у тому числі пальовими. Так, наприклад, добре відомий досвід безаварійної експлуатації багатьох унікальних будівель і споруд (Ісакієвський собор у Санкт-Петербурзі), зведених на органомінеральних ґрунтах за допомогою глибоких пальових фундаментів;

2)     повне виторфовування із заміною вилученого ґрунту мінеральними ґрунтами (піском, гравієм, щебенями й т.д.);

3)     закріплення мулів методами технічної меліорації.

У ряді випадків (при великій потужності органомінеральних ґрунтів) застосовують збірно-монолітні стрічкові фундаменти або суцільну монолітну плиту з підсипанням піщаного шару потужністю 2-3 м.