Учет процесса растворения гипса, содержащегося в грунтах, при расчете деформаций оснований зданий

Засоленные почвы и грунты распространены в аридных и полуаридных зонах земного шара. Такие грунты достаточно широко распространены практически на всех континентах. Одина из стран, в которой широко распространены т. е. засоленные и загипсованные грунты — Ирак, где такие грунты занимают примерно 20% площади. За последние 30 лет, непрерывно усиливающаяся в Ираке тенденция к расширению сельскохозяйственного производства вынуждает осваивать территории под орошаемое земледелие. Все больше площадей, сложенных слабыми структурно-неустойчивыми грунтами в водится в оборот. К ним относятся и регионы распространения засоленных, загипсованных и просадочных грунтов.

Засоленные грунты в естественном маловлажном состоянии обладают высокой прочностью, обусловленной цементирующим действием содержащихся в них солей и ряд других факторов. В связи с обводнением таких грунтов, они становятся сильно и неравномерно деформирующимися, представляет серьезную инженерную проблему, связанную с обеспечением надежной работы гидросооружений, зданий, инженерных систем и промышленных предприятий,.

В результате обводнения возникает выщелачивание солей, вследствие этого процесса происходит изменение прочностных и деформационных характеристик грунта, что приводит к изменению несущей способности основания зданий и сооружений.

Механические свойства засоленных грунтов при изменении влажностного режима зависят от состава и содержания солей, цементирующих минеральные частицы и влияющие на свойства частиц «коллоидного комплекса».

При растворении солей обычно нарушается связность, но из-за слабой растворимости некоторых солей в воде, заметная деформируемость грунтов в начальной стадии замачивания не происходит. В глинистых загипсованных грунтах суффозионная осадка происходит при длительном воздействии грунтовых вод. Это иногда приводит к неправильному результату, что такие грунты суффозионно устойчивые, так как не проявляются характерные признаки просадочности или суффозионной осадки.

Вследствие непрерывного изменения механических свойств засоленных и загипсованных грунтов, которое возникает при замачивании и обводнении, возникают значительные деформации сооружений, возводимых на таких грунтах. При выщелачивании солей из грунтов оснований сооружений, изменяются их механические и фильтрационные свойства. Вследствие развития указанных процессов могут возникнуть деформации поверхности массива грунта, неравномерные осадки, трещины в стенах зданий и сооружений, размыв основания с утечкой воды из водохранилищ и даже аварии сооружения.

Подобным образом, во многих жилых домах и других сооружениях, возводимых в г. Кояра в Ираке образовались опасные деформации. Минарет Аль. Хадба наклоняется в течение десятков лет из-за того, что движение подземной воды вызывало вынос солей из основания. Еще одним примером, который отражает опасные случаи, является растворение гипса, содержащегося в основании плотины Мосула на севере Ирака.

В мировой практике в области строительства напорных сооружений, произошло много катастрофических случаев. Известные примеры — катастрофы плотин СанФрансис и Остин / США/- плотины Монте-Хаке в Испании и другие.

Принято считать засоленными грунтами такие, в составе которых в твердой фазе преобладают хлориты натрия, калия и кальция (ЫаС1, КС1, СаСЬ. Растворимость хлоридов весьма велика сотни граммов в одном литре воды. Поэтому выщелачивание этих солей, их переход из твердой в жидкую фазу происходит лавинообразно, даже в тех случаях, когда грунт насыщается (или промывается) водами с повышенной минерализацией. Присутствие в жидкой фазе грунтов одновалентных ионов N3 и К существенно влияет на свойства коллоидной фракции грунтов, грунтовые коллоиды переходят в пептизированное состояние, падает коэффициент фильтрации грунта, повышаются величины характерных влажностей (№р и изменяются (обычно негативно) механические свойства грунтов. Эти вопросы были детально изучены в ЛИСИ Б. И. Далматовом, В. С. Ласточкиным, С. Б. Уховом. В связи с разработкой технологии зимнего производства строительных работ в суровых климатических условиях Сибири и крайнего Севера с применением искусственного засоления грунта хлоритами.

Гипс, как компонент твердой фазы минеральных грунтов (или слой коренной породы) по его поведению в основании сооружений существенно отличается от хлоритов. Он обладает меньшей растворимостью только 2 г/л. При этом контакт воды, насыщенной ионами Са и 804 > в аридных областях гораздо более вероятен, чем в случаях с хлоридами. Поэтому выщелачивание гипса, переход его из твердой фазы в раствор происходит относительно редко и дает обычно фатальных последствий.

Известны обширные исследования, выполненные в ЛИСИ под руководством проф. Маслова Н. Н., В. Г. Науменко по исследованию условий использования мощных толщ коренного гипса в основании водохранилищных плотин, построенных в долине реки Камы.

Рекомендации, разработанные с применением результатов указанных работ, позволили разработать конструкцию этих плотин с учетом особенностей их оснований. Плотины были успешно построены и эксплуатируются более 40 лет без видимых деформаций оснований основных сооружений комплекса Камской и Воткинской ГЭС. Заметим, что если бы в основании этих сооружений вместо слоев гипса залегали слои каменной соли, строительство этих сооружений было бы не возможно из-за лавинного развития процесса растворения хлоритов.

Гипс, как материал, отдающий в грунтовую воду ионы кальция указывает иное по сравнению с хлоритами воздействие на коллоидные фракции грунтов: они становятся коагулированными, при этом повышается их фильтрационная способность, повышаются величины (Кг).

Влияние иона Са на механические свойства глинистых грунтов не столь значимо, как при влиянии хлоритов и одновалентных катионов. Эти вопросы детально исследованы русскими почвоведами, например, В. А. Ковдой (1946г.) и другими.

Вопросы учета суффозии гипса из оснований зданий и промышленных сооружений занимались специалисты НИИОСП им Н. М. Герсеванова (Петрухин В.П., Геммрлинг В.О.). Вопросы строительства на засоленных грунтах Казахстана изучали Бакенов Б. Б. И Джумшуев У. Р. Задача моделирования засоленных грунтов реологической теории изучена Абелевом М. Ю. и Унайбаевом Б.Ж.

Зарубежном, гипсосодержащие и засоленные грунты относят к «коллапсирующим» грунтам, т. е. к грунтам, которые могут получать значительные деформации без изменения напряженного состояния. К ним же относят просадочнные, засоленные и загипсованные грунты.

Влияние хлоридного засоления на свойства глинистых грунтов изучали Норвежские специалисты, в частичности, Бьеррум Д., которым показано, что процесс рассоления слабых морских отложений может приводить к резкому падению их прочности и оползням весьма пологих склонов. Из работ, выполненных в аридных районах достойны упоминания исследования Хорта загипсованых и засоленных грунтов Алжира, Каппе и Найт выполнили работу по засоленным и просадочным пескам НигерииДженниса и Найта по засоленным пескам Южной Африки, а также несколько работ, выполненных непосредственно в Ираке сопредельных арабских странах Барзанжи А. Ф., Альмуфти A.A., Аль Хашаб М. Н., Алани Н. М и др. В целом данная область геотехники развития еще не достаточно и много практических вопросов еще не разработаны.

Следовательно, выделение загипсованных грунтов в отельную генетическую группу грунтов оправдано и необходимо, тем более что в некоторых аридных регионах распространены именно загипсованные грунты.

Из изложенного следует, что проблема исследования вьпцелачиваемости загипсованных пород (грунтов) представляет исключительно большое научное и практическое значения для строительства на таких основаниях. Цель работы. Заключается в разработке методики лабораторных испытаний загипсованных грунтов, проведении экспериментальных исследований фактора влияния растворения и выщелачивания гипса на физические, фильтрационные, деформационные и прочностные свойства загипсованных грунтов. Способов использования полученных результатов при проведении расчетов оснований и проектировании фундаментов, приспособленных для строительства на загипсованных основаниях, подверженных выщелачиванию.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• изучены закономерности распространения загипсованных грунтов в Ираке;

• уточнена классификация загипсованных грунтов в зависимости от содержания гипса;

• исследовано изменение гранулометрического состава грунта при выщелачивании гипса;

• рассмотрено влияние фактора выщелачивания на показатели пластических свойств грунтов;

• изучено изменение сжимаемости загипсованных грунтов вследствие выщелачивания под разными давлениями;

• выполнено исследование фильтрационных характеристик грунтов в процессе выщелачивания гипса;

• вскрыты закономерности изменения прочностных свойств грунта при выщелачивании гипса в зависимости от его начального содержания;

• выполнен анализ деформации фундамента мелкого заложения на загипсованном грунте, с учетом изменения уровня грунтовых вод, свойств грунта до и после понижения уровня подземных вод.

• рассмотрена, работа фундаментов из буровых свай дан анализ напряженнодеформированного состояния численными методами.

• выполнен численный анализ работы защитных противофильтрационных завес, как средства уменьшения дополнительной осадки грунта, содержащего гипс, подверженный выщелачиванию. 9.

Основные выводы В диссертации изучены строительные свойства загипсованных пылевато-глинистых грунтов с содержанием гипса от 30 до 41% по массе, широко распространенные в северных районах Ирака и других аридных районах земного шара. Установлено, что загипсованные грунты природном состоянии влажности и плотности являются надежным основанием. Свойства таких грунтов существенно ухудшаются при замачивании и при воздействии потока фильтрующейся воды, что приводит к развитию опасных деформаций зданий и сооружений на любой стадии их существования (строительство, эксплуатация, реконструкция), наносит большой экономический ущерб.

2. Обводнение толщи загипсованных грунтов, возникновение потока фильтрующихся вод в Ираке, связано, преимущественно развитием поливного земледелия, ирригацией земель, строительного освоения пустынных территорий.

3. Замачивание загипсованного пылевато-глинистого грунта существенно влияет на все его свойства, включая, гранулометрический состав, пределы пластичности, индекс пластичности, усадочность.

4. В процессе фильтрации воды, происходит выщелачивание гипса, уменьшается водопроницаемость грунта, он становится, практически, водоупорным, после чего процесс выщелачивания прекращается. Установлена связь, позволяющая оценить интенсивность падения коэффициента фильтрации грунта (Kf) во времени: Kf = a tb, где, а и Ъ — константы, установленные эмпирически.

5. В процессе выщелачивания гипса развивается суффозионная осадка, существенно убывающая во времени. Это явление характеризуется отношением: ?s/ - Ai^", где, ssf — относительная суффозионная осадка, /время в часах, / - показатель степени, зависящий от содержания гипса. В опытах величина / изменялась в пределах от 0,55 до 0,80 при содержании гипса от 30 до 41% и Лконстант изменялся от 0,82 до 2,92 для указанного типа грунтов, соответственно.

6. После достижения степени выщелоченности гипса до 60%, (от первоначального содержания) относительная суффозионная осадка (е,/) затухает, коэффициент фильтрации падает, грунт становится водонепроницаемым, а деформации основания стабилизируется.

7. Коэффициент консолидации (Су) изменяется (падает) при выщелачивании гипса, независимо от исходного содержание гипса в грунте.

8. Загипсованный грунт в процессе выщелачивания гипса реформируется как просадочный лесс при замачивании. Начальное давление суффозионной просадки зависит от относительной просадочности (?^) и л для исследованных грунтов оно изменялось в переделах от 65,0 кН/м до 250,0 кН/м, возрастая с увеличением исходного содержания гипса.

9. После завершения развития просадки грунт может получать суффозионную осадку, которая прямо зависит от исходного содержания в грунте гипса.

10. Сопротивляемость сдвигу загипсованного грунта (сцепление и угол внутреннего трения) при выщелачивании гипса уменьшаются не существенно, следовательно, основания фундаментов в рассмотренных условиях устойчивости не теряют.

11. Математическое исследование развития деформаций оснований фундаментов мелкого заложения посредством МКЭ, показывает, что выщелачивание загипсованного грунта приводит к недопустимому развитию деформаций зданий, что создает предпосылку в возникновению аварийной ситуации. Данный вывод подтверждается сведениями об авариях на объектах строительства в Ираке.

13 Расчеты на ЭВМ показывают, что, при строительстве на загипсованных грунтах и реальной угрозе обводнения основания, достаточно надежными являются фундаменты из буровых свай, пята которых должна быть заглублена в водоупор. Использование забивных свай в рассматриваемых условиях не возможно.

14. Расчеты на ЭВМ показали, что для уменьшения влияния выщелачивания гипса на деформации оснований эффективным может быть устройство противофильтрационных завес, которыми можно ограждать отдельные объекты или группы зданий. В этом случае можно использовать фундаменты мелкого заложения, поскольку суффозионная осадка получает минимальное развитие.

15.Расчеты показали, что анализ напряженно-деформированного состояния массивов загипсованного грунта оснований при выщелачивании гипса посредством программного комплекса РЬАХК позволяет всесторонне оценивать строительную ситуацию, принимать адекватное конструктивно-технологическое решение по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений.