Тема 12

Засолені, елювіальні, техногенні ґрунти.

Технічна меліорація ґрунтів

 

12.1. Засолені ґрунти.

До засолених відносять дисперсні ґрунти пустельних і напівпустельних, рідше степових районів з підвищеним вмістом водорозчинних мінеральних солей (хлоридів, сульфатів, карбонатів і ін.).

Відповідно до ДСТ 25100-95 мінімальний вміст водорозчинних солей (в % від ваги повітряно-сухого ґрунту) у засолених ґрунтах повинен становити в пісках – 3%, супісках – 5, у суглинках і глинах – 10 і у великоуламкових породах від 3 до 10%.

Основна специфічна особливість засолених ґрунтів – розвиток у них суфозійної усадки, що виникає в результаті вилуговування з них солей при тривалій фільтрації води. Наслідком суфозійної усадки є значні й нерівномірні деформації ґрунтових основ різних будівель і споруд. За рахунок вилуговування й розчинення солей значно підвищуються агресивність підземних вод до бетону й корозійна активність ґрунтів до підземних металевих конструкцій.

Засолення ґрунтів обумовлене впливом кліматичних, геолого-гідрогеологічних, геоморфологічних та інших факторів. Певне значення має еоловий перенос солей. У сучасний період зростає вплив господарської діяльності людини (вторинне засолення на зрошуваних площах та ін.).

Засолення ґрунтів може мати первинний морський характер, тобто ґрунти відкладалися в засолених морських басейнах і містять солі цих басейнів; і вторинний – засолення відбувається в результаті вертикальної міграції солей з підземних вод підвищеної солоності. Потужність засолених ґрунтів морського походження може досягати 10-15 м і більше (узбережжя Чорного й Азовського морів).

У засолених ґрунтах солі перебувають як у твердому стані у вигляді окремих великих кристалів, друз (скупчень), тонкодисперсних кристалів, так і в порових водах. Міняється колір порід, з'являються сольові кірки, плями й нальоти солей, у тому числі на площинах тріщин.

Основними типами засолених глинистих ґрунтів є солончаки, солонці, такири та ін.

Солончаки відрізняються підвищеним вмістом легкорозчинних натрієвих солей й формуються на негативних формах рельєфу – низовинах, заплавах, дельтах, берегах солоних озер і лиманів і т.д. Солончаки бувають: 1) коркові, покриті з поверхні сольовою кіркою; 2) пухкі з наявністю пухких солей типу Na₂SO₄ • Н₂О і 3) мокрі, адсорбуючі пари води з повітря. Для всіх видів солончаків характерне близьке залягання ґрунтових вод (1 – 3 м).

Солонці (лучні або степові) залягають на більш підвищених ділянках рельєфу, ніж солончаки. Як і всі інші види засолених ґрунтів, у сухому стані відрізняються значною твердістю, а при зволоженні розмокають, набухають, стають пластичними й липкими. У глинистій фракції солонців переважають обмінні катіони натрію, тому розмоклий солонець просихає дуже повільно.

Такири – ділянки із засоленими глинистими ґрунтами в пустельних зонах, з винятково гладкою поверхнею, позбавлені рослинності й розбиті тріщинами усадки на невеликі полігональні виокремлення. У суху пору року такирні ґрунти дуже тверді, але після зволоження стають важкими й липкими, що досить утрудняє проїзд транспорту.

Будівництво на засолених ґрунтах без врахування їх специфічних особливостей (ступеня засоленості й вилуговування, складу водорозчинних солей, сольового й вологого режиму й т.ін.) приводить до розвитку нерівномірної суфозійної усадки й корозії будівельних конструкцій.

Для запобігання або усунення можливих деформацій при будівництві на засолених ґрунтах різних об'єктів застосовують наступні заходи:

·        припинення або сповільнення руху фільтраційних потоків (глинисті, бітумні, цементні водонепроникні завіси);

·        прорізку товщі засолених ґрунтів пальовими й іншими фундаментами, з установкою їх на незасолені ґрунти;

·        часткове або повне зрізання засолених ґрунтів і влаштування подушок з піску й суглинку;

·        хімічне закріплення (особливо для загіпсованих пісков та супісків).

У перелік вимог, пропонованих до будівництва будівель і споруд на засолених ґрунтах, входить застосування водозахисних і конструктивних заходів. Особливу увагу варто приділяти антикорозійним заходам для захисту підземних будівельних конструкцій від агресивної дії підземних вод і корозійної активності засолених ґрунтів.

 

12.2. Елювіальні ґрунти

До елювіальних ґрунтів відносять продукти вивітрювання скельних порід, які утворилися за рахунок розтріскування, розущільнення, розламування, здрібнювання вихідних порід і залишилися на місці свого утворення.

Елювіальні ґрунти мають потужність від декількох до десятків метрів. Залягають вони звичайно на низьких і плоских вододілах, на пологих схилах і в долинах рік і представлені глинистими й пухкими незв'язними породами (пісками, щебенями), а також перехідними різновидами – піщано-щебенистими, дресв’яно-щебенистими та ін.

Елювіальні ґрунти відрізняються складною будовою, значною розмаїтістю й просторовою мінливістю. Їхня нижня границя нерівна й, у зв'язку з різною активністю агентів вивітрювання, може утворювати своєрідні кишені в нижчележачій товщі порід.

Найважливішими специфічними особливостями елювіальних ґрунтів є:

·        значна неоднорідність по глибині й у плані через наявність ґрунтів з різким розходженням міцнісних і деформаційних характеристик;

·        схильність до зниження міцності під час їх перетворення у відкритих котлованах;

·        можливість переходу в пливунний стан у період влаштування котлованів і фундаментів;

·        можливість розвитку просадних властивостей в елювіальних пилуватих пісках з коефіцієнтом пористості е > 0,6 і ступенем вологості S_r < 0,7.

З інших особливостей елювіальних ґрунтів можна відзначити наступні: схильність до набухання й морозного здимання, виникнення кислого середовища, що негативно впливає на бетонні й металеві частини споруд, можливість розвитку фізичної й хімічної суфозії та ін.

Інженерно-геологічна оцінка елювіальних ґрунтів ґрунтується на виділенні в них зон з різним складом, станом і властивостями, отриманні узагальнених характеристик фізико-механічних властивостей ґрунтів для кожного інженерно-геологічного елемента, прогнозі швидкості й інтенсивності процесів вивітрювання при розкритті їхніми будівельними котлованами, виїмками й ін.

Будівництво на елювіальних ґрунтах. Для запобігання вивітрювання або поліпшення властивостей уже вивітрених порід передбачають:

·        улаштування ущільнених ґрунтових розподільних подушок з піску, гравію, щебенів і інших порід, зокрема при нерівній поверхні скельних ґрунтів;

·        повну або часткову заміну „кишень” і „гнізд” вивітрювання піщаним або великоуламковим ґрунтом з  наступним ущільненням;

·        закріплення, тобто штучне поліпшення властивостей вивітреного ґрунту шляхом його цементації, глинизації, бітумізації й іншими способами;

·        застосування фундаментів глибокого закладення, тобто прорізка всієї товщі елювіальних ґрунтів з опорою на монолітні невивітрені породи;

·        планування будівельної території й відвід атмосферних вод, а також покриття ґрунтів водонепроникними матеріалами (цементом та ін.).

Не слід допускати перерв у улаштуванні основ і зведенні фундаментів, тому що при багаторазовому зволоженні-висиханні, промерзанні-відтаванні елювіальний ґрунт перетворюється в жорству й щебінь, які легко розмокають у воді. Щоб уберегти дно будівельного котловану від руйнування процесами вивітрювання, варто не доводити його до проектної відмітки, для того щоб шар, що залишився (0,3-0,4 м) зняти перед початком зведення фундаменту.

 

12.3. Техногенні ґрунти

Відповідно до ДСТ 25100—95, техногенні ґрунти – це природні ґрунти, змінені й переміщені в результаті виробничої й господарської діяльності людини, і антропогенні утворення. Під антропогенними утвореннями розуміють тверді відходи виробничої й господарсько-побутової діяльності людини, у результаті якої відбулася корінна зміна складу, структури й текстури природної мінеральної або органічної сировини.

Техногенні ґрунти використовують як основи будівель і споруд або середовище для розміщення в них міських комунікаційних мереж і інших споруд, але головним чином як матеріал для відсипання насипів, дамб, земляних гребель і т.д. Об’єм техногенних ґрунтів у світі досить значний і продовжує безупинно збільшуватися, особливо на територіях великих мегаполісів і в районах гірничодобувної промисловості.

Поняття „техногенні ґрунти” поєднує досить різнорідні за походженням, складом, будовою й властивостями ґрунти. Серед найважливіших специфічних особливостей техногенних ґрунтів, що негативно впливають на їхню інженерно-геологічну оцінку, відзначимо наступні:

·        значну неоднорідність за складом й нерівномірну стискальність;

·        можливість самоущільнення від власної ваги, особливо при вібраційних впливах;

·                   підвищений вміст органічної речовини в смітниках і побутових відходах і у зв'язку із цим можливість утворення токсичних газів (метану й ін.);

·        схильність до самозаймання пустої породи, що утвориться при розробці вугілля;

·        розпад, розкладання й інші фізико-хімічні перетворення (для шлаків, зол і шламів).

Класифікація техногенних ґрунтів. У цей час до техногенних ґрунтів відносять: 1) природні ґрунти, змінені в умовах природного залягання; 2) природні ґрунти, переміщені з місць природного залягання в процесі будівельної або іншої виробничої діяльності; 3) антропогенні утворення.

Природні ґрунти, змінені в умовах природного залягання. Цей тип техногенних ґрунтів створюють цілеспрямовано відповідно до запитів будівництва за допомогою різних фізичних і фізико-хімічних впливів. До фізичних впливів відноситься ущільнення котками, важкими трамбуваннями, вібрацією й т.д. За допомогою цих робіт підвищують міцність природних ґрунтів, знижується їхня стискальність і водопроникність.

До фізико-хімічних впливів відносяться досить широко використовувані в будівництві цементація, силікатизація, бітумізація, глинизація, випалювання та інші методи. Всі вони сприяють закріпленню ґрунтів як дисперсних, так і скельних і поліпшенню їхніх властивостей. Природні ґрунти, ущільнені або закріплені зазначеними вище методами технічної меліорації, називають ще поліпшеними.

Природні ґрунти, переміщені з місць природного залягання. До цього типу відносять ґрунти, переміщені за допомогою транспортних засобів, вибуху (насипні ґрунти) або за допомогою засобів гідромеханізації (намивні ґрунти).

Насипні ґрунти за технологією свого утворення поділяються на планомірно й непланомірно відсипані.

До першого відносять насипи, зведені по спеціальному проекті з однорідних ґрунтів з ущільненням до заданої проектом щільності. До другого відносять відвали й смітники різного виду ґрунтів, отримані при розробці кар'єрів і підземних виробок, зрізанню площ при плануванні, у процесі розкривних робіт і т.д.

За ступенем ущільнення від власної ваги розрізняють насипні ґрунти злежані (процес самоущільнення закінчився) і незлежані (процес самоущільнення триває).

Намивні ґрунти створюють за допомогою засобів гідромеханізації при будівництві в заплавах великих рік, на узбережжях морських заток і ін. Для намиву звичайно використовуються піски. Міцнісні й деформаційні характеристики встановлюють із урахуванням часу, що пройшов після закінчення намиву. На намивних ґрунтах споруджують великі стадіони й інші споруди, ведуть житлове будівництво.

Антропогенні утворення підрозділяються на промислові й побутові відходи.

Промислові відходи утворяться в результаті термічної й хімічної обробки природних утворень (золи, золошлаки, шлаки, шлами й ін.). Вміст органічних речовин у них звичайно не перевищує 5%.

Побутові відходи представлені звичайно у вигляді смітників, які формуються в результаті неорганізованого відсипання відходів без ущільнення й ізоляції. Як правило, смітники характеризуються підвищеним вмістом органічних речовин. Тому при інженерно-геологічній оцінці побутових відходів, крім визначення їхнього генезису й потужності, ступеня завершеності процесів самоущільнення, показників складу й властивостей, варто визначати вміст і стан органічних речовин. Це необхідно у зв'язку з можливим нагромадженням у ґрунтах метану, що утвориться внаслідок анаеробного розкладання органічних речовин.

Крім смітників серед антропогенних побутових відходів виділяють культурні шари, тобто товщі гірських порід із залишками культурно-господарської діяльності людини. Поширені вони на територіях міст і великих селищ і мають потужність від 0,1 - 0,5 до 20-30 і більше метрів. Відмінна риса культурного шару – наявність у його складі битої цегли, керамічної плитки, органічних включень, золи й іншого господарського й будівельного сміття, накопиченого протягом багатьох років, десятиліть і сторіч.

Культурний шар досить неоднорідний по складу й властивостям, і якщо древні його нагромадження вже ущільнилися й досить міцні, то сучасний культурний шар при використанні його як основи вимагає ущільнення й закріплення його методами технічної меліорації.

Будівництво на техногенних ґрунтах. Для улаштування основ різних споруд, дорожніх насипів, земляних гребель, дамб і ін. техногенні ґрунти, як ми вже відзначали вище, мають достатньо широке застосування. Однак всі роботи з їхнього використання в будівництві, зокрема при відсипанні або намиванні, повинні здійснюватися при належному геотехнічному контролі.

Техногенний ґрунт повинен оцінюватися за основними показниками фізико-механічних властивостей, ступеня однорідності, величині самоущільнення, вмісту органічних речовин і т.д. Відомі численні приклади неприпустимих деформацій будівель і споруд, зведених на техногенних ґрунтах, втрати стійкості дорожніх насипів і т.д.

При недостатній несучій здатності техногенних ґрунтів їх варто ущільнювати за допомогою котків, важких трамбувань, вібраційних машин, а також ґрунтовими палями, енергією вибуху, гідровіброущільнювачами (глибинне ущільнення).

 

12.4. Технічна меліорація ґрунтів.

Одним з розділів ґрунтознавстві є технічна меліорація ґрунтів. Цей розділ займається теоретичною й експериментальною розробкою методів штучного поліпшення властивостей ґрунтів відповідно до запитів різних видів будівництва. Меліорувати ґрунти – значить поліпшувати їхні несприятливі властивості. Поліпшення властивостей ґрунтів досягається механічним ущільненням, введенням цементуючих і в'язких речовин, осушенням, заморожуванням, випалюванням і іншими способами.

У цей час методи штучного поліпшення властивостей ґрунтів широко застосовують для посилення основ різних споруд, зменшення водопритоку до гірських виробок, збільшення стійкості зсувних схилів, укосів штучних виїмок, створення протифільтраційних завіс і т.д.

Роботи з технічної меліорації (поліпшення) властивостей ґрунтів здійснюють по спеціальних проектах, розробка яких виробляється на основі детальних інженерно-геологічних досліджень.

В завдання інженерно-геологічних досліджень входить отримання достовірних відомостей про геологічну будову й гідрогеологічні умови ділянки робіт, склад, стан й властивості ґрунтів (вологість, щільність, пластичність, гранулометричний склад, ступінь водопроникності, межа міцності на одноосьовий стиск і ступінь вивітрюваності й тріщинуватості – для скельних ґрунтів).

Відповідно до сучасних уявлень, технічна меліорація ґрунтів поділяється на фізико-механічну й фізико-хімічну.

 

12.4.1. Фізико-механічна меліорація ґрунтів

До цього виду меліорації відносять методи механічного ущільнення й попереднього змочування ґрунтів, методи дренування й консолідації, а також армування ґрунтів.

Механічне ущільнення. У будівельній практиці дисперсні ґрунти досить часто ущільнюють механічним впливом, тобто тиском, ударом і вібрацією. Розрізняють поверхневе й глибинне ущільнення.

Поверхневе механічне ущільнення дисперсних ґрунтів (зв'язних і незв'язних) здійснюється за допомогою багаторазової проходки котків, скидання важких трамбівок, віброущільнення, сейсмоущільнення та інших способів. При цих зовнішніх впливах змінюються структурно-текстурні особливості ґрунтів, зменшується їхня пористість, вологість, поліпшуються міцнісні й деформаційні характеристики.

Глибинне механічне ущільнення застосовують при необхідності ущільнення ґрунтів на більшу глибину ніж при поверхневому ущільненні. Цей метод ущільнення застосовують як для піщаних незв'язних ґрунтів, так і для зв'язних глинистих і органомінеральних ґрунтів.

При глибинному ущільненні піщаних ґрунтів динамічним впливом ущільнюючий снаряд (вібратор) послідовно занурюють на глибину до 15 м і більше. За допомогою спеціального генератора вібратор приводиться в дію. Такий метод називають глибинним віброущільненням.

Для глибинного ущільнення пилуватих пісків і просадних лесових ґрунтів використовують енергію вибуху (сейсмічне ущільнення) у сполученні із замочуванням.

Мули, водонасичені стрічкові глини, заторфовані й інші сильностискальні ґрунти ущільнюють за допомогою гравітаційного дренування.

Широко використовуються також методи геостатичного ущільнення (консолідації) водонасичених сильностискальних ґрунтів різними привантаженнями й електроосмотичне осушення для збільшення несучої здатності основ фундаментів.

Армування ґрунтів – це геотехнологія, основою якої є сполучення ґрунтів з армуючими елементами (сітки, георешітки, плівки, натуральні й синтетичні волокна й тканини, металеві смуги й ін.). Армування дозволяє підвищити міцність і несучу здатність ґрунтових мас.

В теперішній час армування ґрунтів широко використовується в промислово-цивільному, транспортному, гідротехнічному й іншому видах будівництва. Армування ґрунтів і ґрунтових мас ефективно при відсипанні насипів, гребель, дамб, зведенні підпірних стін, протиерозійному захисту мостових підвалин, зміцненні укосів, протизсувному захисті та ін.

 

12.4.2. Фізико-хімічна меліорація ґрунтів.

На відміну від фізико-механічної меліорації ґрунтів фізико-хімічна меліорація заснована на впливі на ґрунти не тільки фізичних засобів, але й хімічно активних речовин. Розрізняють поверхневі й глибинні методи фізико-хімічної меліорації ґрунтів.

Поверхневі методи зміцнення й поліпшення стану й властивостей ґрунтів здійснюються з використанням мінеральних в'язких матеріалів (цементу, вапна, мелених гранульованих шлаків, шламу та ін.) і органічних в'язких матеріалів (бітумів, синтетичних і природних смол, рідкого кам'яновугільного дьогтю та ін.).

Технологія обробки ґрунтів на поверхні для поліпшення їхнього стану й властивостей включає ряд послідовних операцій:

1.             роздрібнення ґрунтових агрегатів до порошкоподібної маси;

2.             розподіл в'язкого матеріалу з точним дотриманням необхідної добавки цементу, вапна або інших речовин;

3.              рівномірне зволоження ґрунту за допомогою поливальних машин до необхідної (оптимальної) вологості;

4.             ущільнення підготовленої ґрунтової суміші до найбільшої щільності.

Методи поверхневої обробки ґрунтів представляють найбільший практичний інтерес при будівництві автомобільних, залізниць і аеродромів.

Глибинні методи закріплення ґрунтів – це штучне поліпшення їхніх властивостей шляхом нагнітання (ін'єкції) в'язких матеріалів і хімічних розчинів, пропущення через ґрунт постійного електричного струму, термічного випалювання, заморожування та ін.

При використанні цих методів міцність контактів між окремими частками ґрунту або агрегатами збільшується за рахунок склеювання хімічними речовинами, спікання, зневоднювання, утворення льодових контактів і т.д.

До найпоширеніших ін'єкційних способів закріплення ґрунтів відносять силікатизацію, цементацію, глинизацію й смолизацію.

Силікатизація здійснюється шляхом нагнітання в закріплювальний ґрунт неорганічних в'язких розчинів – силікату натрію (рідке скло) і коагулятора (хлористого кальцію), при взаємодії яких утвориться гель кремнієвої кислоти – цементуюча речовина.

Цементація – нагнітання в закріплювальний ґрунт цементного розчину (чистого або зі спеціальними добавками) через спеціальні свердловини-ін’єктори. Метод застосовується в тріщинуватих скельних ґрунтах для заповнення карстових пустот, а також в інших випадках у вигляді різних модифікацій (цементно-ґрунтові розчини й ін.).

Глинизація дає найкращі результати при тампонуванні тріщинуватих і закарстованих порід. Метод полягає в нагнітанні через спеціальні свердловини-ін’єктори глинистих суспензій (розчинів). У порівнянні із цементацією даний метод більше економічний, навіть при застосуванні висококонцентрованих глинистих розчинів із щільністю 1,4 – 1,5 г/см³. Матеріалом для глинизації служать суглинки й глини.

Смолизація ґрунту полягає в нагнітанні в свердловини-ін’єктори органічних в'язких - карбамідних і інших синтетичних смол, які при затвердінні утворять міцний каркас. За допомогою смолизації можливе закріплення дрібних і пилуватих пісків з будь-яким ступенем вологості.

До інших методів закріплення ґрунтів органічними в'язкими крім смолизації відноситься бітумізація, заснована на введенні в ґрунт розплавленого бітуму.

У будівельній практиці для зміцнення ґрунтів використовують також методи впливу на них різних фізичних полів: високих температур (термічне випалювання), постійного електричного струму (електрохімічне осушення), негативних температур (заморожування) і ін.

З екологічних позицій важливо підкреслити, що, згідно будівельних норм і правил, спосіб закріплення й рецептура розчинів повинні забезпечувати не тільки розрахункові фізико-механічні характеристики закріпленого ґрунту, але й задовольняти вимоги з охорони навколишнього середовища. Найбільшу небезпеку, пов'язану з токсичністю забруднюючих речовин, представляють залуження (ін'єкція в ґрунт лугу), деякі модифікації способів смолизації й силікатизації й, у меншій мірі, термічне випалювання (забруднення токсичними газами).