Деформации массива при искусственном замачивании грунта

Деформации массива при искусственном замачивании грунта

Характер и закономерности набухания грунтов в массиве и основании сооружений не отличаются от рассмотренных выше. Так, деформации массива и основания в результате набухания грунта будут тем больше, чем выше дисперсность грунта, меньше его влажность, больше плотность и т. д. Однако в этом случае проявляются особенности, вызванные напряженным состоянием грунта, в частности изменением по глубине напряжений от действия собственного веса и внешней нагрузки.

Необходимо учитывать тот факт, что замачивание грунта в основании носит, как правило, локальный характер, в результате чего в определенной части массива грунта проявляются деформации от набухания, в то время как остальной массив остается в равновесии. В этом случае можно ожидать влияния неувлажненной части массы грунта на деформации, протекающие в увлажненном объеме массива.

Закономерности деформаций массива при замачивании грунта изучались на площадках, сложенных глинами различных генетических типов, что позволило установить общие для всех набухающих грунтов закономерности деформаций массива и основания при набухании и усадке грунтов. Рассмотрим деформации слоев массива набухающего грунта по глубине при действии собственного веса в случае его замачи-вания с поверхности и через, дренажные скважины. Характер этих деформаций изучали при замачивании грунта в котлованах глубиной 1,5-2,5 м. В котловане устанавливали глубинные марки, предназначенные для регистрации перемещений грунта на заданной глубине.

Марки состояли из реперной трубы диаметром 25-40 мм и обсадной трубы диаметром 89-108 мм. За вертикальными перемещениями поверхности наблюдали с помощью поверхностных марок, представляющих собой стержни диаметром 18—24 мм, забиваемые в дно небольшого приямка, который затем заполнялся бетоном. Вертикальные перемещения поверхностных и глубинных марок измеряли путем нивелирования их с помощью высокоточных нивелира и инварной рейки относительно двух-трех реперов.

При замачивании грунта через скважины последние пробуривали диаметром 128-146 мм со дна котлована на необходимую глубину. Дренажные скважины, а также дно котлована засыпали щебнем или гравием. Замачивание осуществлялось с поверхности в течение 7 мес. После замачивания начался подъем поверхности дна котлована, в то время как марка, расположенная на глубине 0,75 м, оставалась неподвижной. Это указывает на то, что набухание происходило в слое толщиной менее 0,75 м. Спустя 16 сут после начала замачивания начался подъем и этой марки, а через 26 сут — марки, расположенной на глубине 1,25 м.

Приведены время замачивания котлованов и соответствующее ему расстояние от поверхности до фронта набухания, на уровне которого начинаются деформации, а также скорость перемещения последнего. Из таблицы видно, что скорость перемещений фронта набухания в глинах практически постоянна. Подъем поверхности грунта продолжался в течение всего времени зама-чивания, длившегося около 24 мес, и составил 170 мм. При этом стабилизация процесса набухания наступила в слое толщиной 0—0,5 м через 4,5 мес, толщиной 0,5—1 м — через 8 мес, толщи¬ной в слое 1—2 м — через 13 мес после начала замачивания.
В этом случае происходит подъем всех слоев, т, е. набухание грунта по глубине происходит одновременно во всем массиве. Наибольшая скорость набухания во всех слоях наблюдается в первый месяц замачивания. Скорость подъема поверхности при этом уменьшается во времени.

Скорость подъема поверхности в первые 2 мес при глубинном замачивании в 1,5 раза больше, чем при замачивании с поверхности. Однако в дальнейшем скорости выравниваются, после чего картина изменяется. Это объясняется тем, что процесс набухания в первом случае практически начинает стабилизироваться, в то время как при замачивании с поверхности происходит увлажнение и набухание лежащих ниже слоев грунта, вследствие чего наблюдается подъем поверхности.

Время, необходимое для стабилизации подъема поверхности, составляет при глубинном замачивании для хвалынских глин около 6 мес. При замачивании с поверхности в течение этого времени подъем для котлована составил 0,8 подъема поверхности в первом случае. Следовательно, процесс набухания массива хвалынских глии при толщине слоя около 3 м в случае поверхностного замачивания длится в 1,5 раза больше, чем при замачивании через скважины. Эта разница возрастает с увеличением толщины слоя замачиваемых глин.

Анализ экспериментальных данных показывает, что набухание грунта в массиве происходит в течение разного периода времени. Грунт в нижних слоях набухает быстрее, чем в верхних, т. е. с увеличением давления время набухания уменьшается. Отсюда следует, что подъем поверхности во времени определяется временем набухания грунта в верхних слоях и значит время, необходимое для стабилизации подъема поверхности, не зависит от толщины промачиваемой толщи грунта.

Время набухания массива сарматских глин разной толщины при замачивании через скважины составляет 5—6 мес. При этом размеры замачиваемой площади не влияют на время подъема поверхности. Однако время, необходимое для практической стабилизации деформаций от набухания, зависит от вида и структуры грунта. Время набухания, мес, составляло для глин соответственно: сарматских 5—6; киммерийских — 3,5; аральских 9-10; хвалынских — 6; антропогена — 17. В основании сооружений, где замачивание происходит не столь ин¬тенсивно, как в рассмотренном случае, процесс набухания может протекать более длительное время.
Скорость набухания массива зависит от текстурных особенностей грунтов. Киммерийские глины набухают в массиве быстрее, чем остальные, что объясняется значительным количеством песчаных частиц, улучшающих их фильтрационную способность. В результате этого вода быстрее передвигается в грунте и при этом создаются благоприятные возможности для интенсивного обводнения глинистых частиц.

Благодаря отмеченным обстоятельствам уже в первые 2 мес после начала замачивания деформации набухания в массиве из киммерийских глин составляют более 80 % общей деформации. Хвалынские и сарматские глины набухают значительно быстрее, чем аральские, что также объясняется различием в текстурных особенностях рассматриваемых грунтов. В хвалынских глинах, особенно в верхней зоне разреза, имеется значительное количество прослоек песчанистого материала, способствующего обводнению глин, в то время как аральские глины по своей текстуре приближаются к сплошному монолитному массиву.

С увеличением глубины замачивания возрастает подъем поверхности. При этом в пределах глубин 6-7 м наблюдается практически линейная зависимость между подъемом и глубиной промачиваемой толщи. При большой глубине замачивания эта зависимость нарушается и отмечаются меньшие величины пбдъемов.
Экспериментами установлено влияние площади замачивания на величину подъема. Так, с увеличением замачиваемой площади подъем поверхности возрастает.

Однако это увеличение наблюдается до достижения определенной площади замачивания, при превышении которой возрастания подъема не происходит. При глубине замачивания 3 м предельная ширина котлована, при которой не наблюдается возрастание подъема, составляет 6 м, а при глубине замачивания 12,5 м эта ширина равна 12 м. Отмеченные закономерности проявляются во всех набухающих грунтах и не зависят от их свойств. Они обусловлены особенностями протекания деформаций при набухании массива грунта как единого целого с учетом его напряженного состояния и влияния неувлажненной части грунта.

Выветривание грунта в разработанных котлованах влияет на характер и величину набухания массива грунта, что видно на примере испытаний сарматских глин. Так, подъем дна котлована № 1, который был открытым в летний период в течение 60 сут, составил более 100 мм в течение 5 мес. Котлован № 22, имеющий такие же размеры, замачивали спустя 9 сут после его разработки, а подъем его дна составил всего 65 мм. В котловане № 1 в начальный период замачивания наблюдалось интенсивное набухание грунта, в дальнейшем скорость набухания уменьшилась, в то время как в котловане № 22 процесс набухания протекал равномернее. В этих котлованах после их разработки уменьшилась влажность грунта, вследствие чего увеличилось набухание, а интенсивность процесса объясняется образованием вертикальных и горизонтальных трещин, способствующих быстрому обводнению грунта массива.

Выветривание хвалынских глин в течение 14 сут не привело к существенному увеличению подъема дна котлована и установленных в нем опытных штампов. Так, если относительное набу-хание слоя без нагрузки и со штампом с давлением по подошве 0,012 МПа составило 0,042 и 0,032, то в котловане, замоченном через 14 сут после разработки, эти величины были равны соответственно 0,044 и 0,037.

Приведенные данные показывают, что оставлять длительное время открытым грунт основания котлована нельзя, так как это при последующем замачивании приводит к увеличению деформаций, вызванных набуханием грунта. Подъем поверхности дна котлована происходит относительно равномерно в пределах средней части площади замачивания, а к откосам подъем уменьшается. Снижение подъема наблюдается и за пределами замачиваемой площади.

По мере удаления от источника увлажнения подъем уменьшается и на определенном расстоянии L равен нулю. Расстояние от точки с нулевым подъемом до бровки замачиваемого котлована зависит от величины подъема котлована. При замачивании через дренажные скважины подъем марок за пределами котлована начинается практически одновременно с подъемом поверхности внутри котлована. При этом расстояние L увеличивается пропорционально возрастанию подъема. По мере замачивания грунта в котловане интен¬сивность возрастания расстояния L уменьшается.

Подъем вне котлована происходит на определенном практически постоянном расстоянии независимо от времени замачивания. В случае замачивания с поверхности подъем вне котлована происходит позже, чем при замачивании через дренажные скважины. Эти данные показывают, что подъем поверхности наблюдается в ограниченной зоне от источника замачивания, величина которой зависит от свойств грунта и в первую очередь от его текстурных особенностей. Так, при замачивании хвалынских глин, имеющих прослойки песчанистого материала, подъем поверхности наблюдался на расстоянии до 15 м, т. е. значительно больше, чем в сарматских глинах, где таких прослоек не имеется.

Значения относительного набухания при замачивании через скважины больше, чем при замачивании с поверхности, так как в последнем случае процесс набухания не стабилизировался. Способ замачивания изменяет динамику процесса, не влияя практически на общую величину набухания, что подтверждено и в лабораторных условиях. Влажность набухшего грунта в массиве практически одинакова как при глубинном увлажнении, так и при замачивании с поверхности, и составляет в среднем для хвалынских глин 37 %, для сарматских — 46, а для аральских — 43%.

Исследования деформаций массива при замачивании водой, электролитом и раствором серной кислоты проведены на глинах в районе г. Джезказган, а также на элювии в районе г. Екатеринбурга при замачивании его водой и серной кислотой. В Джезказгане были разработаны три котлована площадью по 100 м . Грунт в котловане № 2 замачивали водой через скважины глубиной 7 м, в котловане № 3 заливали электролит (10 % серной кислоты, 50 медного купороса и 3 % никелевого купороса), а в котловане № 6 — 10 %-ный раствор серной кислоты. В котлованах № 3 и 6 были пробурены скважины глубиной соответственно 3 и 5 м.