Структурная прочность грунтов

Столица Алтайского края за последние годы сильно преобразилась. В местах, где еще 5-10 лет назад были пустыри и овраги, выросли новые квартала. В них возводят жилые дома повышенной этажности, которые оказывают значительные нагрузки на основания, социальные объекты инфраструктуры сложной конфигурации в плане, дающие неравномерные осадки. Только за 2017 год было введено в эксплуатацию более 378 квадратных метров жилья.

Такие высокие темпы строительства предполагают освоение все большего количества новых территорий и изучение их инженерно-геологических особенностей.

[pic 1]

Рис. 1 – Схема расположения строящихся объектов в г. Барнауле на октябрь 2018г.

Барнаул расположен на Приобском Плато юга Западно-Сибирской плиты, сложенной по большей части лессовыми грунтами. Одна из особенностей этих грунтов — преобладание I типа грунтовых условий по просадочности, что говорит о необходимости изучения их структурно-текстурных особенностей и закономерностей деформирования под влиянием внешней нагрузки. Актуальным направлением в этой области выступает изучение структурной прочности лессовых грунтов и ее влияние на деформации оснований фундаментов зданий и сооружений.

Лессовые грунты, как дисперсные материалы, состоят из множества минеральных частиц, которые связаны между собой водно-коллоидными связями. Эти связи образовались в результате естественного уплотнения, например вследствие понижения уровня грунтовых вод. Так же при определенных условиях в процессе длительного существования между частицами могли возникнуть хрупкие кристаллизационные связи. Суммарно эти связи придают грунту некоторую прочность, которую и называют структурной прочностью грунта.

При нагрузках, которые не превышают структурную прочность грунта, в нем развиваются только упругие деформации. Наглядно это проявляется при компрессионных испытаниях. Постепенное нагружение образца грунта, обладающего структурной прочностью, при малых ступенях нагрузки вызовет лишь малые по величине упругие деформации. При этом коэффициент пористости грунта практически не изменится (начальный участок компрессионной кривой на рис. 2). Когда нагрузка достигнет структурную прочность, начинается разрушение скелета, которое сопровождается перекомпоновкой частиц, уплотнением грунта и приводит к уменьшению коэффициента пористости. Таким образом, структурная прочность грунта может быть определена опытным путем по характерному изменению компрессионной кривой.

[pic 2]

Рис. 2 – Компрессионная кривая грунта, обладающего структурной прочностью

Но стоит отметить, что если нарушить природную структуру грунта, то произойдет разрушение связей между частицами, и даже в случае если начальная плотность грунта нарушенной структуры будет такая же, как и грунта естественной структуры, то его уплотнение все равно начнется при самых малых нагрузках и сжимаемость будет значительно больше. Поэтому осадки сооружений на насыпных грунтах обычно превышают осадки сооружений на естественных основаниях.

На рисунке 3 приведены две компрессионных кривых: первая – для образца естественного сложения, вторая – для образца нарушенной структуры. В первом образце, пока нагрузка не превышает структурную прочность грунта, коэффициент пористости остается практически неизменным, но при дальнейшем увеличении нагрузки связи разрушаются, коэффициент пористости резко снижается, грунт уплотняется, и возникают деформации. Во втором образце коэффициент пористости сразу начинает уменьшаться, что говорит о том, что никаких упругих деформаций в нем не возникает, грунт начинает уплотняться даже при незначительных нагрузках.

[pic 3] 

Рис.3 – Компрессионные кривые грунта ненарушенной (1) и нарушенной (2) структуры

В Алтайском крае вопросами изучения структурной прочности лессовых грунтов занимались Г.И. Швецов и М.А. Осипова.

В своей диссертации М.А.Осипова провела комплексное изучение структурной прочности лессовых грунтов Приобского плато.  Было исследовано 5 типов грунтов: суглинки твердые, суглинки полутвердые, суглинки тугопластичные, супесь твердая и супесь пластичная.

В начале,  были рассмотрены инженерно-геологические особенности лессовых пород Приобского плато.  На основании анализа этих особенностей сделаны следующие выводы: