Инженерно-геологические свойства набухающих грунтов

Инженерно-геологические свойства набухающих грунтов

Глинистые набухающие грунты имеют широкое распространение. Достаточно, например, указать, что в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы, способные интенсивно увеличиваться в объеме при замачивании. Такие грунты распространены в Египте, Южно-Африканской Республике, Бирме, США и в других странах. В России такие грунты встречаются в районах Поволжья, Закавказья, Крыма и др.

Набухающие глины отличаются по своим свойствам и условиям образования, однако их объединяет одно общее свойство — набухать под нагрузкой при замачивании. Были проведены детальные комплексные исследования свойств следующих глин: сарматских и киммерийских (Керчь); хвалынских (Волгоград) ; аральских (Ермак); майкопских (Крым); четвертичных отложений среднего Казахстана (Джезказган).

Сарматские, киммерийские и майкопские глины изучались в районе города Керчи и Феодосии. Климат этого района близок к континентальному с жарким ветреным летом и малоснежной зимой. Осадков выпадает около 400 мм. Наиболее влажным является летний период, однако из-за большой испаряемости в этот период наблюдается дефицит влажности в верхнем слое грунта.

Современный рельеф рассматриваемого района в основном эрозионного происхождения. Большое влияние на скорость эрозионного процесса оказывает способность глин к значительной усадке, сопровождающаяся образованием многочисленных трещин. В геологическом разрезе преобладают в основном глины неогена и четвертичные отложения. Первые из них представлены главным образом майкопскими, сарматскими, мэотическими и киммерийскими глинами, которые являются основаниями сооружений в этом районе.

Хвалынские глины исследовались на площадке, расположенной южнее г. Волгограда. Климатической особенностью данного района является резко выраженная континентальность. Осадков выпадает в среднем около 300 мм в год. Испаряемость очень высокая, вследствие чего в верхней части грунтового
покрова наблюдается дефицит влажности. В результате происходит подсыхание верхних слоев хвалынских глин, залегающих близко к поверхности.

В геоморфологическом отношении этот район входит в Прикаспийскую впадину и представляет собой плоскую равнину за исключением южной части, где имеются небольшие возвышения. С севера впадина ограничивается более высокой частью, называемой Сыртовым Заволжьем. Западная граница впадины от Камышина и до Волгограда совпадает с правобережьем Волги. Правобережный берег Волги подходит к склону Волго-Донского водораздела, а южнее переходит в обособленную в геоморфологическом отношении область — Ергени, протянувшуюся на юг в виде слабовсхолмленной возвышенности.

Стратиграфический разрез рассматриваемого района следующий: послехвалынский ярус — новейшие четвертичные отложения (суглинки, супеси), залегающие в виде покровного чехла толщиной 0,5—3 м на породах хвалынского яруса; хвалынский ярус — отложения из глин с толщиной слоя 3—8 м; ательские отложения — 2—4-метровый слой суглинка и супеси; хазарский ярус — пески большой толщины; бакинский ярус — глинистые породы.

Подземные воды обнаружены на глубине 18—20 м от поверхности в песках хазарского яруса. Хвалынские отложения, являющиеся основанием сооружений, представлены глинами шоколадного цвета, образовавшиеся в период хвалынской трансрегрессии.

Аральские глины изучались на площадке, расположенной в Ермаке, а четвертичные глины антропогена — в районе Джезказгана. Первая площадка входит в левобережную часть Павлодарского Прииртышья. Климат района резко континентальный с сухим, жарким летом и морозной зимой, длящейся около 200 сут. Общее количество годовых осадков составляет 250 мм, при этом около 70% из них выпадает в летний период.

Рассматриваемый район представляет собой плоскую равнину с немногочисленными озерами. На большей части территории верхненеогеновые отложения смыты и непосредственно с поверхности залегают отложения аральской свиты, представленные глинами. В отдельных местах эти глины покрыты элювиально-делювиальными отложениями. Климат г. Джезказгана резко континентальный. Количество выпадающих осадков незначительно и составляет 150 мм в год. Площадка сложена глинами антропогена, в которых можно выделить пять разновидностей: суглинки, красновато-бурые и зеленовато-серые глины верхнего и среднего антропогена.

Особенностью сарматских и киммерийских глин является слоистая текстура. Микрослои глины переслаиваются прослойками из пылеватого песка. Глины имеют зеленовато-серый цвет и содержат большое количество включений (гипс, окислы железа и т. д.). В массиве прослеживается зона выветривания толщиной до 2 — 3 м, пронизанная вертикальными усадочными трещинами. При высыхании грунт расслаивается на пластинки толщиной от миллиметра до нескольких миллиметров. В естественном залегании хвалынские глины неоднородны: имеется большое количество прослоек (толщиной 2 — 400 мм) тонкопесчаного или пылевато-суглинистого материала, которые приурочены главным образом к верхним горизонтам хвалынских отложений.

Таким образом, глины имеют плиточное строение, толщина их однородных слоев достигает 20 — 350 мм. На горизонтальных плоскостях, которыми разбита толща, имеются включения окислов железа в виде пятен и отдельных вкраплений, а также карбонатная пыль. Из-за наличия множества вертикальных трещин толща глины состоит из отдельных легко отделяющихся кусков, в результате массив напоминает разборную скалу. В невыветренном естественном состоянии глины тугопластичны и имеют шоколадный цвет, свободно режутся ножом, при этом по стружке можно заметить признаки слоистости.

Глины обладают скрытой слоистостью: после пребывания на воздухе некоторые монолитные глыбы рассыпаются на отдельные пластинки толщиной до 1 мм, а иногда на крупные отдельности неправильной формы. Всю толщу хвалынских глин можно разбить на две зоны:

  1. верхнюю толщиной до 0,7 м, состоящую из глинистой щебенки. Эта зона резко отличается от остальной массы глины: реже встречаются песчаные и супесчаные прослойки, а влажность глины: небольшая — 8-12 %;
  2. нижнюю зону шоколадных глин плиточного строения. Эта зона в свою очередь может быть разбита на две подзоны: верхнюю — среднеобломочную глубиной до 4-5ми нижнюю — крупнообломочную.

Глина, залегающая на дне котлована, в результате выветривания покрывается большим количеством трещин, разбивающих слой на отдельные куски. Ширина раскрытия трещин может достигать 15 — 20 мм. Глина верхнего слоя со временем теряет природную влажность, превращаясь в сухие прочные отдельности, на поверхности которых могут образовываться отслоения тонких пластинок.

Аральские глины зеленовато-серого цвета имеют прослои материала, напоминающего ископаемую почву. В верхней части массива до глубины 2,5 — 3 м глины выветрены. Здесь они имеют комковатую или плитчатую текстуру и разбиты усадочными трещинами на отдельные блоки. С глубиной трещиноватость убывает и грунт приобретает массивную текстуру без видимых слоев слоистости. Глины на воздухе распадаются на мелкие отдельности. Глины засолены карбонатами и гипсом, которые образуют либо мергелистые прослойки, либо друзы размером до 10 см.

В глинистой фракции сарматских и киммерийских глин преобладает монтмориллонит (около 70 %), каолинит составляет 20 %, а остальная часть приходится на долю кварца и других материалов. Минералогический состав практически не изменяется с глубиной, за исключением выветренной зоны, где наблюдается повышенное содержание каолинита. В глинистой фракции хвалынских глин преобладает иллит и в меньшем количестве монтмориллонит.

Аральские глины полиминеральны и в глинистой фракции содержат значительное количество монтмориллонита. Майкопские глины содержат в основном монтмориллонит и в меньшем количестве каолинит и иллит. Емкость поглощения и состав обменного комплекса глин в значительной мере зависят от содержания глинистых частиц и состояния выветренности. Для сарматских глин в целом емкость поглощения выветренных и невыветренных разновидностей составляет соответственно 1,1 и 11,9 мг-экв на 100 г сухого грунта; для киммерийских глин эти значения составляют 8,6 и 21,6 мг-экв. В глинистой фракции емкость поглощения значительно выше и для сарматских выветренных разновидностей глин равна 38 мг- экв. Емкость поглощения аральских глин очень высока и находится в пределах 42—67 мг-кв на 100 г сухого грунта.

Для аральских глин характерно преобладание (до 93 %) двухвалентных катионов. В хвалынских глинах состав обмен¬ных катионов находится в пределах: 17 — 27 % Na; 50 — 60 % Са и 4 — 10 % Mg. Емкость поглощения колеблется в широких пределах: 12-31 мг-экв на 100 г сухого грунта. Майкопские глины имеют емкость поглощения от 16 до 33 мг-экв, при этом преобладающим катионом является Na.

Химический состав порового раствора глин г. Керчи изучался путем извлечения водных вытяжек, которые приготовлялись стандартным методом с соотношение 1:10. Для рассмотренных глин характерно высокое содержание анионов хлора, которые вместе с катионами указывают на преобладание в солевом растворе NaCl. В выветренной части количество воднорастворимых солей выше, чем в невыветренной. В целом эти грунты по засоленности относятся к сульфатно-карбонатно-хлоридным.

Легкорастворимые соли составляют от 1 до 3 %. Высокое содержание гипса наблюдается в интервале от 0 до 2 м. В аральских глинах содержание солей составляет 3 — 4 %, при этом основная часть приходится на карбонаты и гипс. Засоленность хвалынских глин не превышает 1,3 % абсолютно сухого грунта.

В хвалынских глинах преобладающей является фракция размером менее 0,005 мм — 71 %, на долю фракции размером 0,5— 0,005 мм приходится 26, а на долю песчаной — около 3 %. Глины в районе Джезказгана содержат песчаных частиц до 24,5 %, фракции размером 0,1—0,005 мм — в среднем 59,9, а глинистой — 35,7 %. Зеленовато-серые глины имеют песчаных частиц в среднем 8,1 %, пылеватых — 48,4, а глинистых — 45,2 %. Аральские глины имеют глинистых частиц 50, а пылеватая и песчаная фракция составляют 35 и 15 %.

Таким образом, для набухающих глин характерно высокое содержание глинистых частиц, что обусловливает их высокую гидрофильную способность. Влажность в значительной степени влияет на свойства глинистых грунтов. При незначительной влажности глины обладают большой прочностью, а при ее увеличении они переходят в текучее состояние, теряя при этом свои прочностные свойства. Изменение влажности набухающих глин сопровождается набуханием или усадкой. В зависимости от дисперсности, состава и влажности вода в грунте находится в прочносвязанном, рыхлосвязанном и свободном состоянии.

Естественная влажность хвалынских глин может колебаться от 13,7 до 46%; сарматских — от 21 до 60%; серовато-зеленых глин антропогена — от 7,5 до 27 % и т. д. Аналогичный разброс характерен и для других значений влажностей.

По мере уменьшения влажности на границе текучести снижается природная влажность грунта. Такая же зависимость наблюдается в глинах каждого вида. Изучение природной влажности показывает неравномерность распределения влаги по глубине, что позволяет выделить характерные зоны.
Так, в верхней части разреза находится зона пониженной влажности. Для сарматских глин толщина этой зоны достигает 1 м, а для аральских глин — 2 м. Ниже этой зоны наблюдается увеличение влажности с глубиной. Так, для сарматских глин на глубине 6 — 9 м влажность возрастает с 20 до 37 %. Ниже этой глубины влажность глин остается практически постоянной. В аральских глинах до глубины 4 м влажность повышается, а ниже — уменьшается. Если природная влажность грунта близка к влажности набухания, то значительные деформации сооружений при замачивании оснований не происходят. Однако в этом случае возможна значительная усадка грунта при уменьшении влажности.