Грунтоведение

Водонасыщенные грунты

Что же такое слабые, водонасыщенные грунты?

Само название говорит о том, что эти грунты отличаются от других своей «слабостью». Действительно, на «обычный» влажный суглинок на 1 м2 можно приложить вес в 2-105Н. А вот похожий по составу, но полностью водонасыщенный илистый суглинок выдерживает на этой же площади вес только 2* 104 Н, как говорят, на порядок меньше. Этого совершенно недостаточно, чтобы построить здание. Поэтому-то эти грунты и получили название «слабых». Почему же они имеют столь малую прочность?

На этот вопрос можно ответить, только поняв, как образуются такие грунты. Первый путь их формирования — постепенное накопление тонких частиц на дне озер и морей. Медленно кружась в воде, они, не торопясь, оседают и образуют рыхлый осадок.

В жаркий летний день нас манит окунуться в прохладную воду озера. Нередко, входя в него, ноги погружаются в неприятную разжиженную массу, лежащую на дне.

Это и есть слабый, водонасыщенный грунт — осадок тонких частиц на дне озера. Правда, в этом случае речь идет о совсем жидком и совсем слабом осадочном образовании. Пройдет время, и на его поверхности накопятся новые слои. Под их весом он уплотнится и приобретет какую-то небольшую, начальную прочность. Этому процессу энергично противодействует вода, окружающая частицы и насыщающая поры.

Несмотря на то что в конечном счете в осадке возникает коллоидная структура, он уплотняется и в нем даже появляются агрегаты, ил все же очень долго сохраняет малую прочность.

Если такой «слабый» осадок со временем теряет свободную воду, то его уплотнение ускоряется и он переходит в ранг «обычных», достаточно прочных грунтов. В ходе такого обезвоживания идут сложные процессы, возникает агрегативная структура, появляются новые минералы (в геологии этот процесс называется диагенезом).

Проходит длительное время и мы встречаем этот бывший «слабый» грунт в новом обличье. Он оказывается прочным и достаточно надежным для строительства.

Если в ходе капризных геологических процессов или в результате деятельности людей этот грунт опять насыщается водой, то в некоторых случаях может возникнуть обратный процесс. Вода снова наполняет поры, и агрегаты распадаются под «ударами» ее молекул. И вот «благополучный» грунт может опять стать «слабым». Заметим, что далеко не все «обычные» (прошедшие диагенез) породы могут при водонасыщении переходить в «слабые» грунты.

Помимо этого такой грунт, как правило, не возвращается в состояние осадка на дне, а сохраняет часть начальной прочности. Это связано с тем, что не все агрегаты распадаются, сохраняя свою прочность.

Теперь можно сказать, что слабые, водонасыщенные глинистые грунты на дне озер, морей, в современных болотах можно именовать «первичными». В отличие от них «обычные» грунты, переходящие при водонасыщении в слабые, называются «вторичными» слабыми, водонасыщенными глинистыми грунтами.

«Первичными» слабыми глинистыми грунтами покрыты обширные пространства океанического и морского дна. Они встречаются в районах рек, на дне озер, .в искусственных морях — водохранилищах

Когда река перегораживается плотиной, то в образованном водохранилище начинает накапливаться весь ее твердый сток (частицы, увлекаемые рекой). Нередки случаи, когда через пятьдесят — сто лет рыхлые осадки полностью заполняют водоем. И вот там, где плескались волны, появляется болотистая низина, сложенная слабыми, во- донасыщенными иловато-глинистыми грунтами. Такая судьба постигла многие искусственные водохранилища, созданные в XIX и начале XX вв. в США.

С «вторичными» водонасыщенными глинистыми грунтами мы также часто встречаемся. Представим себе такую ситуацию: мы гуляем по сухой глинистой дороге. Грунт твердый и прочный. Вдруг прошел сильный дождь. Дорога размокла, и мы с трудом по ней идем, проваливаясь на каждом шагу в жидкую грязь. Можно сказать, что на наших глазах произошла чудесная метаморфоза: «обычная» глина превратилась во «вторичный» водонасыщенный слабый грунт.

На оросительных каналах, построенных без учета этого свойства глин, случается, что вода в больших количествах просачивается в дно и стенки канала. Под ее действием прилегающие грунты разжижаются, что приводит к неприятным последствиям. Например, коровы и другие домашние животные, попадая на такие водонасыщенные участки, могут глубоко завязнуть, а в некоторых районах пришлось даже переносить строительные сооружения на новые, более безопасные места.

Если такие грунты высушить, то они опять становятся прочными. Поэтому одним из выходов из создавшейся ситуации является устройство водоотводов для перехвата возникающих потоков дождевых и талых вод, а также строительство дренажей для понижения уровня подземных вод.

Конечно, самый верный и самый экономичный путь — это сделать борта оросительных каналов водонепроницаемыми. Достигается это способами, о которых речь шла выше.

Наконец, часто устраиваются каналы в бетонных лотках или с бетонным ограждением стенок. Так борются с водопотерями и снижают опасность превращения пород в слабый вторичный водонасыщенный грунт.

Дело было в Норвегии. Как-то по железнодорожному полотну шел тяжелый грузовой поезд. Машинист увидел впереди корову, переходящую полотно и резко затормозил. Препятствие на пути исчезло. Состав стал набирать скорость. Едва он прошел какое-то расстояние, как полотно, шпалы, рельсы и столбы за ним стали быстро перемещаться вниз по склону. Расположенное в 12 м ниже железнодорожного полотна шоссе с ехавшими по нему автомобилями заколебалось и также поплыло вниз. Еще ниже высились мощные старые клены и березы. Они закачались и, как бы кланяясь друг другу, поплыли в том же направлении. Одна из автомашин соскользнула с насыпи автодороги и стала проваливаться в землю. Сидящие в ней люди только-только успели выскочить, как она провалилась в грунт почти по крышу.

Все эти необычные происшествия продолжались не больше минуты. За это время железная дорога была передвинута на место шоссе, которое заняло участок кленовой и березовой аллеи. В свою очередь, старые деревья оказались на месте фруктового сада, расположенного еще ниже по склону. Очевидец так описывает это событие: «Моя сестра увидела движущиеся деревья и не поверила своим глазам. Она позвала меня, и теперь уже я увидел, как два ряда огромных кленов и берез быстро движутся в мой сад вместе с участком мощеной дороги...»

Владельцы автомашины вынуждены были нанять землекопов, которые, с трудом «вгрызаясь» в довольно плотный глинистый грунт, ценой больших усилий извлекли автомобиль. Всех поразило, как в столь плотную землю могла с такой легкостью провалиться машина.

Эти загадочные явления имеют простую разгадку. Дело в том, что участок, на котором произошли эти удивительные события, сложен так называемыми голубыми глинами, имеющими морское происхождение. Их особенностью является способность при ударах и вибрациях неожиданно разжижаться. Сотрясения, вызванные прохождением по железнодорожному пути состава, а затем резким торможением локомотива, оказались достаточными для того, чтобы произошли описанные события.

Для прокладки канала в Голодной степи были применены взрывчатые вещества (ВВ). В водонасыщенных лёссовых грунтах пробурили скважины и заложили в них патроны с ВВ. Когда произошел взрыв и ветер отнес в сторону пыль и дым, перед удивленным взором взрывников возникла странная картина. Канала на месте взрыва не было. Вместо него лежала полоса жидкого вязкого грунта.

Эти две истории имеют одну общую основу. Специалисты обнаружили, что многие глинистые и лёссовые грунты, имеющие достаточно высокую влажность, способны (как и коллоидные растворы) при сотрясении мгновенно разжижаться, а затем опять возвращаться в первоначальное пластичное состояние. Это явление нам известно из коллоидной химии под названием «тиксотропия». Мы уже встречались с ним, когда рассматривали причины разжижения песков. " Коллоидные вещества находятся обычно в состоянии геля (от лдт, gelo — застываю), тогда они имеют студнеобразный вид и обладают некоторыми свойствами твердых тел. Возможно и другое состояние — золя (от нем. Sol — раствор), когда коллоидное вещество находится в жидком состоянии.

Теперь, наверное, легко понять, что глинистые влажные породы (также проявляющие свойства коллоидных веществ) обычно имеют гелеобразное состояние, но при встряхивании могут неожиданно переходить в золь. В основе этого превращения на первом этапе лежит разрушение коагуляционной структуры, при котором исчезают связи между частицами. Затем на втором этапе возникает обратное явление восстановления начальной коллоидной структуры и возврата к первоначальному состоянию геля. Особенность этого процесса заключается в неполном вторичном восстановлении в грунтах начальной прочности. Только в тех случаях, когда связи имеют исключительно коагуляционный характер (при котором все частицы окружены водными пленками), прочность грунта, существовавшая до тиксотропных превращений, может полностью восстанавливаться.

Время, при котором происходит обратный переход из золя в гель, для разных грунтов колеблется от нескольких секунд до 10 сут.

Как же определить, способен ли грунт к тиксотропии? Ведь это очень важно для строителей.

Для этого лаборатории имеют специальный прибор — зыбкомер. Помещенный на нем образец подвергается в течение 20 с вибрации с частотой 4000 колебаний в минуту. О степени тиксотропности грунта судят по величине растекания оцениваемого грунта путем измерения увеличения радиуса основания образца после этого испытания.

Опыты, проведенные учеными, позволили установить, что тиксо- тропия возникает только в тех грунтах, в которых имеется достаточное количество глинистых частиц. Особенно характерно это явление для грунтов, содержащих монтмориллонит (минерал с подвижной кристаллической решеткой).

Тиксотропия возникает только при определенных значениях влажности. Чём выше последняя, тем интенсивнее проявляется тиксотропия. Однако этот процесс может иногда возникать даже в сравнительно маловлажных грунтах. Необходимо только, чтобы при динамических воздействиях в них появилась свободная вода.

Теперь становится ясно, что причина вышеописанных явлений в Норвегии и Голодной степи заключается в тиксотропных изменениях, возникающих в насыщенных водой глинах при ударах и взрывах.

Сейчас широко используются свайные фундаменты для возведения зданий на водонасыщенных глинистых грунтах. Эти фундаменты представляют собой плиты или бетонные блоки, которые опираются на многочисленные сваи, забитые в грунтовые массивы на глубину от 3 до 15 м и более. Для погружения свай применяются специальные установки — вибраторы. Они закрепляются на верхнем конце сваи и вызывают ее вибрацию и последующее погружение. В ходе погружения может возникать тиксотропное понижение прочности водонасыщенных глинистых грунтов. В этом случае свая особенно легко погружается в грунт с минимальной затратой энергии. Затем свае дают «отдохнуть», при этом прочность грунта восстанавливается. Погруженные этим способом сваи обладают после «отдыха» (в течение недели или больше) хорошей несущей способностью (т.е. выдерживают значительные нагрузки).

Так тиксотропия помогает строителям.

Возникает вопрос: «Можно ли бороться с тиксотропными явлениями?»

Конечно, можно. Разработано много методов для предупреждения тиксотропного разрушения грунтов.

Прежде всего их можно обезводить. Это достигается отводом в сторону от массивов поверхностных вод. Ведется борьба и с подзем* ными водами. Для этого устраиваются дренажи, используется так называемый электроосмос. Он применяется в тех случаях, когда глинистые грунты не хотят отдавать воду. Тогда кроме труб для сбора воды в грунты погружаются электроды. Создается электрическое поле, которое гонит воду даже из тончайших пор глины в труб чатые водосборы .

Другой путь борьбы с тиксотропией — превращение водонасыщенных глинистых грунтов в прочные образования. Это достигается электрообработкой глин длительным воздействием электрического тока. Метод заключается в том, что в глинистый массив погружаются электроды и через них длительное время пропускается постоян- ный электрический ток. В результате у анода (положительного электрода) образуется осушенная и упрочненная зона. Здесь при электролизе накапливается материал, слагающий анод (он обычно делается из железа). Порода в результате электрообработки увеличивает свою прочность, а ее способность к тиксотропии исчезает,

В некоторых случаях применяется метод электролитической обработки грунта.