Органоминеральные грунты

Органоминеральные грунты

К органоминеральным грунтам относятся  илы, сапропели и заторфованные. Органоминеральные грунты представляют собой своеобразные осадочные образования, которые часто занимают большие, но локальные площади. Своим происхождением они обязаны водной среде и располагаются в речных долинах, на низких берегах морей, озер, водохранилищ, в пониженных частях рельефа, на территориях с высоким положением уровней грунтовых вод, например, в тундре. Органоминеральные грунты наиболее типичны для территорий, где развиты болота. Все органоминеральные грунты высокопористы и водонасыщены. В их составе: 1 песчано-пылевато-глинистые частицы; 2 органический минерал; 3 воды, которые присутствуют обязательно и в большом количестве. Во многих этих грунтах воды бывает больше, чем минеральной и органической частей. Органический минерал содержится в следующих количествах: илы — в основном гумус и в количестве не менее 10 %; сапропели —до 30 % гумуса с примесью растительных остатков; заторфованные грунты —до 50 % растительных остатков с примесью гумуса. Оценка органоминеральных грунтов производится по следующим характеристикам: природная влажность W

1. плотность грунта и частиц
2. содержание органических веществ
3. полная влагоемкость Wn. коэффициент Кф

модуль деформации Е. Ил — водонасыщенный современный или древний осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато-глинистых масс с органическим перегноем гумусом. Окраска черная, масса рыхлая, количество воды превышает содержание минеральной части за исключением древнего ила. Ил следует считать начальной стадией формирования глинистой осадочной породы. Мощность слоев илов колеблется от сантиметров до нескольких метров. Модуль деформации Е колеблется от 0,1 до 2 МПа. Коэффициент пористости для илов супесчаного состава составляет 0,8—1,2; суглинистого 0,9—1,6 и глинистого 1,2—2. Илы практически не держат нагрузки, под нагрузкой легко выдавливаются, при динамическом воздействии переходят в разжиженное состояние. Небольшую нагрузку выдерживают лишь древние илы, особенно если они перекрыты какой-либо толщей глинистых отложений. Сапропели — это рыхлые водонасыщенные песчано-пылевато-глинистые отложения, содержащие органический материал.

Заторфованные грунты — это песчано-пылевато-глинистые водона-сыщенные грунты, но с большим содержанием органических веществ до 50 % в виде остатков корней растений с примесью гумуса.

Органические грунты. Все эти  грунты состоят в основном из органического  материала. Типичным представителем этих грунтов является торф, сложенный  из неполно разложившихся болотных растений. Окраска чаше всего темно-коричневая. В торфах всегда имеется примесь  песка, пылеватых и глинистых  частиц. Растения создают волокнистый  каркас, что является его структурой. Большинство торфов сформировалось в древние времена и на сегодня между собой различаются по степени разложения растительных остатков и геологическому строению.

Все органоминеральные и органические грунты содержат воду, которая обладает агрессивными свойствами по отношению  к строительным материалам. В связи  с непрерывным гниением растительных остатков их свойства очень изменчивы  во времени. Модуль деформации Е обычно меньше 5 МПа. Лучше всего нагрузки держат древние, более плотные торфы. Строительство зданий и сооружений на органоминеральных и органических грунтах представляет собой сложную задачу, поэтому осуществляется по специальным нормативам. В каждом случае используются разные мероприятия по предотвращению возможных деформаций оснований и повышению их несущей способности: 1 для илов и сапропелей; 2 для торфов и заторфованных грунтов. Засоленные грунтыК засоленным грунтам относятся дисперсные грунты, содержащие значительное количество водорастворимых солей. В литологическом отношении это могут быть пески, супеси, суглинки, глины и в некоторых случаях даже крупнообломочные грунты. Засоленные грунты типичны для поверхности земли и свойственны районам с засушливым климатом. Появление солей в грунтах связано со многими причинами:

1. жаркий климат, при котором испарение преобладает над количеством выпадающих атмосферных осадков
2. бессточный для воды рельеф местности
3. подтопление территорий грунтовыми водами, вызванное неправильной эксплуатацией человеком оросительных систем
4. попадание определенной части водорастворимых солей в грунтыпри их формировании.

 Соли в грунтах присутствуют в различных формах:

1. в виде отдельных крупных кристаллов
2. в виде мелких рассеянных кристаллов по всей массе грунта
3. в форме больших скоплений друз, разбросанных по всемумассиву фунта,

В грунтах обычно присутствуют все  эти формы солей, но в силу каких-то причин одна из них занимает основное место.

Среди водорастворимых солей в грунтах находятся легко- и сред-нерастворимые соли. К легкорастворимым относятся: хлориды типа минерала галита и кислые соли угольной кислоты; к среднерастворимым — сульфаты типа гипса. Карбонаты типа кальцита тоже растворяются в воде, но к числу водорастворимых можно относить с известной условностью. Их растворение происходит длительное время и при наличии в воде агрессивной углекислоты.

Количество солей, оказывающих  влияние на изменение свойств, в  различных грунтах неодинаково  и колеблется от 0,3 до 5 % и больше к весу грунта. Вот некоторые примеры  грунтов, которые считаются засоленными  при следующем количестве солей: пески —0,5 % и более; пылевато-глинистые  грунты — 5 % и более; крупнообломочные грунты г—2 % и более.

 К основным типам засоленных глинистых грунтов относятся солончаки, солонцы и такыры. Солончаки формируются в долинах рек, соленых озерах, лиманах и содержат серно-кислые соли натрия, хлориды кальция и магния. Солонцы располагаются на высоких участках рельефа местности и содержат карбонаты натрия соду, сульфаты натрия и гипс. Такыры — большие равнинные площади, покрытые глинистыми грунтами твердой консистенции и разбитые сетью трещин усадки. Такыры содержат гипс, карбонаты и небольшое количество легкорастворимых солей. Количество солей и их состав в грунтах определяются химическими лабораторными анализами.

В природных условиях, например, при  неправильном орошении сельскохозяйственных полей, нередко происходит «засоление»  почв и фунтов. В районах строительства  на территориях, где эксплуатируются  здания и сооружения с большим водообменном, обычно наблюдается обратный процесс — «рассоление».

 Водорастворимые соли в определенной мере упрочняют фунты, так как являются их цементирующей составляющей, но фунтовые основания зданий и сооружений никогда не остаются сухими. В период эксплуатации основания объектов, как правило, обводняются, возникает постоянная фильтрация воды. Все это приводит к растворению солей, рассолению фунтов оснований, т. е. к выщелачиванию солей. В отличие от механической суффозии это чисто химический процесс. При растворении солей изменяются свойства оснований и, в первую очередь, их физико-механические: прочностные и деформационные показатели, а также пластичность, пористость, гранулометрический состав. Вначале вымываются легкорастворимые соли, после этого, в результате уже длительной фильтрации воды, выносятся средне- и даже труднорастворимые соли. Растворение и вынос гипса из суглинков, супесей, песков и крупнообломочных фунтов может происходить в сроки, соизмеримые с периодом эксплуатации зданий и сооружений.

 Строительство на засоленных фунтах имеет свои трудности и осуществляется по своим нормам и правилам. При возведении объектов используются различные приемы строительства:

1. прорезка фундаментами зданий слоя засоленного фунта
2. водозащита оснований от проникновения в них атмосферных и
3. технических вод
4. прекращение фильтрации подземной воды устройством дренажей
5. и непроницаемых завес
6. отсыпка на засоленный фунт без солевых фунтовых подушек из
7. песка или суглинков
8. предпостроечное рассоление и уплотнение грунтового основания
9. искусственное закрепление засоленного массива фунта методами
10. технической мелиорации кроме крупнообломочных фунтов, обладающих высокой фильтрационной способностью.

 Выбор того или иного приема зависит от геологического строения и гидрогеологии строительной площадки, типа и вида фунтов оснований, характера засоления, конструкций объекта и технических возможностей строительной организации.

В районах распространения  органоминеральных и органических грунтов следует дополнительно  устанавливать для разработки проекта  и отражать в техническом отчете: распространение и мощность болотных отложений; тип торфа (низинный, верховой); разновидности заторфованных грунтов, их состав и свойства; источники обводнения грунтовой толщи; местоположение выходов родников, наличие озер и сплавин, общую тенденцию развития болота (его деградацию или прогрессирующее заболачивание прилегающей территории); для торфов и заторфованных грунтов - влажность и плотность в водонасыщенном состоянии, содержание органических веществ, степень разложения, зольность, ботанический состав (при необходимости); для илов и сапропелей - гранулометрический состав, содержание органических веществ, карбонатов, состав и содержание водорастворимых солей (для осадков соленых водоемов); показатели консолидации и ползучести; нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных свойств органоминеральных и органических грунтов следует устанавливать с учетом их возможного уплотнения, осушения и инженерной подготовки территории.

В районах распространения  засоленных грунтов следует дополнительно  устанавливать для разработки проекта  и отражать в техническом отчете: распространение и условия залегания  засоленных грунтов; качественный состав и количественное содержание водорастворимых солей в грунте; генезис, взаимосвязь степени и характера засоленности с литологическим составом и условиями залегания грунтов; форму, размер и характер распределения соляных образований в грунте; структурные особенности грунта, связанные с наличием солей; наличие проявлений процесса выщелачивания и суффозии засоленных грунтов на земной поверхности, их формы и размеры; данные о современном засолении и выщелачивании грунтов в результате хозяйственной деятельности; физические, механические и химические свойства грунтов природной влажности и при водонасыщении, в том числе растворами заданного состава; гидрохимические условия (минерализация и химический состав подземных вод, их растворяющая способность по отношению к засоленным грунтам); показатели относительного суффозионного сжатия и начального давления суффозионного сжатия; состав и характеристики поверхностных вод, влияющих на засоленность грунтов.

В районах распространения  элювиальных грунтов следует  дополнительно устанавливать для  разработки проекта и отражать в  техническом отчете: распространение, условия залегания и особенности  формирования элювиальных грунтов; данные о структуре коры выветривания, тектонических нарушениях коры, ее возрасте; состав и свойства элювиальных  грунтов по зонам выветривания и  подстилающей материнской породы; степень  активности грунтов к выветриванию, морозному пучению, суффозионному  выносу, выщелачиванию, набуханию и  просадочности.

В районах распространения  техногенных грунтов следует  дополнительно устанавливать для  разработки проекта и отражать в  техническом отчете: распространение  и условия залегания техногенных  грунтов; способ формирования и давность их образования; состав, состояние и  свойства техногенных грунтов; изменчивость их характеристик во времени и  в пространстве; степень завершенности  процессов самоуплотнения во времени; наличие инородных включений  и их характеристика; результаты геотехнического контроля для намывных или насыпных грунтов (земляных сооружений) и накопителей промышленных отходов

.4 Органоминеральные и органические грунты

Основания, сложенные водонасыщенными органоминеральными (илы, сапропели, заторфованные грунты) и органическими грунтами (торфы) или включающие эти грунты, должны проектироваться с учетом их особенностей: большой сжимаемости, изменчивости и анизотропии прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик и изменений их в процессе консолидации основания, длительного развития осадок во времени и возможности возникновения нестабилизированного состояния.

Для илов следует учитывать  тиксотропию и газовыделение (метан, углекислый газ).

Следует учитывать также, что подземные воды в органоминеральных  и органических грунтах, как правило, агрессивны к материалам подземных  конструкций.

По характеру залегания  органоминеральные и органические грунты делятся на открытые (залегающие с поверхности), погребенные (залегающие в виде линз или слоев на различной  глубине) и искусственно погребенные (перекрытые искусственно сформированными  отложениями).

В зависимости от расположения слоев или линз органоминерального и органического грунта в плане  и по глубине основания выделяют наиболее распространенные типы оснований, приведенные на рисунке 6.8.

При проведении инженерно-геологических  изысканий следует дополнительно  устанавливать:

1. характер залегания органоминеральных и органических грунтов
2. (см. рисунок 6.8) и толщину слоев, прослоек и линз этих грунтов;
3. содержание органического вещества I_r для выделения заторфованных грунтов, торфов и сапропелей (ГОСТ 23740);
4. степень разложения органического вещества D_dp в торфах (ГОСТ 10650);
5. коэффициент консолидации (ГОСТ 12248).

Расстояние между отдельными скважинами не должно превышать 20 м и они должны полностью прорезать толщу органоминеральных и органических грунтов с заглублением не менее чем на 2 м в подстилающие минеральные грунты.

Определение характеристик  органоминеральных и органических грунтов должно производиться не менее чем через 0,5 м по глубине  каждого обнаруженного слоя.

На площадках, в основании  которых залегают илы с целью сохранения природной структуры этого грунта должны применяться методы испытаний, исключающие динамическое воздействие на грунт. Рекомендуется применение штампов, прессиометров, статического зондирования, приборов вращательного среза, радиоизотопных методов и т.д.

Следует выделять пресноводные илы с содержанием органического  вещества более 10 % - сапропели. В зависимости от условий залегания сапропели подразделяют на неуплотненные и уплотненные в природном залегании; по содержанию органического вещества - на минеральные, среднеминеральные и слабоминеральные.

Характеристики органоминеральных  и органических грунтов должны определяться, как правило, на основе непосредственных испытаний грунтов в полевых  или лабораторных условиях (ГОСТ 20276, ГОСТ 12248).

Ориентировочные значения физико-механических характеристик сапропелей, открытых и погребенных торфов и илов, которые  могут быть использованы для предварительной  оценки оснований, сложенных указанными грунтами, приведены в приложении:

I - в пределах всей сжимаемой толщи основания залегают органоминеральные или органические грунты;

II - в верхней части сжимаемой толщи основания залегает слой органоминерального или органического грунта; I

II - в нижней части сжимаемой толщи основания залегают органоминеральные или органические грунты;

IV - сжимаемая толща в пределах пятна застройки здания включает односторонне (IVa), двусторонне (IVб) вклинившиеся линзы или содержит множество лит (IVe) из органоминеральных или органических грунтов;

V - в пределах глубины сжимаемой толщи находится одна (Va) или несколько прослоек (Vб) органоминерального или органического грунта, границы которых в плане выходят за пределы пятна застройки здания

Рисунок 6.8 - Типовые схемы оснований, содержащих органоминеральные и органические грунты

Для глинистых грунтов  с содержанием органических веществ  в долях единицы в диапазоне 0,05 £ I_r £ 0,25 нормативные значения характеристик Е, j_n и с_n для расчетов.

Деформационные, прочностные  и фильтрационные характеристики органоминеральных  и органических грунтов должны определяться в диапазоне давлений, соответствующих  напряженному состоянию основания  проектируемого сооружения. Указанные  характеристики должны устанавливаться  при испытаниях образцов грунта в  вертикальном и горизонтальном направлениях.

Для определения прочностных  характеристик j и с органоминеральных и органических грунтов следует проводить испытания, применяя методику консолидированных испытаний для определения этих характеристик в стабилизированном состоянии и неконсолидированных испытаний для определения в нестабилизированном состоянии (ГОСТ 12248).

В полевых условиях деформационные характеристики органоминеральных  и органических грунтов определяют методами, указанными в ГОСТ 20276. При определении деформационных характеристик этих грунтов в компрессионных приборах, учитывая их высокую сжимаемость, испытуемые образцы должны иметь начальную высоту 30-50 мм, а их нагружение следует проводить небольшими ступенями согласно ГОСТ 12248.

Максимальное давление на образец в компрессионном опыте  должно превышать проектное не менее  чем на 10-20 %, но быть не менее 0,1 МПа.

Значения модуля деформации по результатам опыта должны устанавливаться  для различных интервалов давлений и использоваться в расчетах осадки в зависимости от фактических нормальных напряжений по глубине основания в пределах сжимаемой толщи.

Коэффициент бокового давления органоминеральных и органических грунтов x определяют в приборах трехосного сжатия. При применении комплекса мероприятий по предварительной подготовке основания, содержащего органоминеральные и органические грунты (временная или постоянная пригрузка, дренирование и т.п.), характеристики этих грунтов должны устанавливаться по результатам их испытаний после уплотнения.

При расчете оснований  должны учитываться анизотропные свойства органоминеральных и органических грунтов. В каждой точке основания  следует отбирать не менее двух образцов для определения характеристик  в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном. Коэффициент фильтрации также должен определяться для этих двух направлений.

Обозначения характеристик  грунта с анизотропными свойствами должны иметь индекс, указывающий  диапазоны давлений и их направление  при испытании (горизонтальное или  вертикальное).

Расчет оснований, сложенных  органоминеральными и органическими грунтами, производится с учетом скорости передачи нагрузки на основание, изменения эффективных напряжений в грунте в процессе консолидации основания, анизотропии свойств грунтов, вторичной консолидации. При этом допускается использовать методы теории как линейной, так и нелинейной консолидации грунтов.

Примечание - Анизотропию свойств органоминеральных и органических грунтов допускается не учитывать, если значения характеристик для вертикального и горизонтального направлений отличаются не более чем на 40 %.

При наличии в основании дренирующих  слоев необходимо учитывать фильтрацию поровой воды в их сторону, а при  наличии песчаной подушки под  фундаментом - также в сторону  этой подушки. Учитывать действие дренирующего слоя допускается только в том  случае, если он не представляет собой  замкнутую линзу, а песчаной подушки  под фундаментом - если обратная засыпка  пазух произведена также дренирующим грунтом

Основания, сложенные водонасыщенными органоминеральными и органическими грунтами, должны рассчитываться по несущей способности.

В этих расчетах силу предельного  сопротивления основания N_u, кН/м, при действии вертикальной нагрузки для ленточного фундамента допускается определять по формуле

N_u = b'(q + 5,14с_I),

где b' - то же, что и в формуле

q - пригрузка, кПа;

с_I - расчетное значение удельного сцепления грунта, кПа, равное с_и.

При намыве на дно водоема, сложенного органоминеральными и органическими  грунтами, песчаного слоя его толщина  должна определяться необходимыми планировочными отметками с расчетом несущей  способности основания и с  учетом возможности возникновения  нестабилизированного состояния.

При расчете по деформациям  оснований, включающих водонасыщенные органоминеральные и органические грунты, расчетное сопротивление грунта основания R определяют по формуле. При этом коэффициент условий работы грунтового основания g_с1 принимают по таблице 6.5.

Таблица 6.5

Для предварительного определения  размеров фундаментов сооружений I и II уровней ответственности на заторфованных песках и окончательного для сооружений III уровня ответственности допускается принимать расчетные сопротивления R₀ Расчетную схему для определения конечных осадок фундаментов на основании, включающем водонасыщенные органоминеральные и органические грунты, принимают по разделу 5.

Дополнительную осадку основания  фундаментов за счет разложения (минерализации) органических включений допускается  не учитывать, если в период срока  службы сооружения уровень подземных  вод не будет понижаться.

Осадку слоя сильнозаторфованного грунта или торфа при намыве или отсыпке на него песчаного слоя. В расчете по деформациям основания, содержащего органоминеральные и органические грунты, нижнюю границу сжимаемой толщи. Опирание фундаментов непосредственно на поверхность органоминеральных и органических грунтов не допускается, если они представлены сильнозаторфованными грунтами и торфами, сапропелями и илами.

Если непосредственно  под подошвой фундамента залегает слой грунта с модулем деформации Е < 5 МПа толщиной более ширины фундамента, то осадка основания фундаментов должна определяться по формуле при s_zg,i = 0. При расчетных деформациях основания, сложенного органоминеральными и органическими грунтами, больше предельных или недостаточной несущей способности основания должны предусматриваться следующие мероприятия:

1. полная или частичная прорезка слоев органоминеральных и органических грунтов фундаментами;
2. полная или частичная замена органоминерального и органического грунта песком, гравием, щебнем и т.д.;
3. уплотнение грунтов временной или постоянной пригрузкой основания сооружения или всей площадки строительства насыпным (намывным) грунтом или другим материалом (с устройством фильтрующего слоя или дрен при необходимости ускорения процесса консолидации основания);
4. закрепление илов буросмесительным способом.

В зависимости от степени  заторфованности, глубины залегания и толщины органоминеральных и органических грунтов, а также конструктивных особенностей проектируемого сооружения и предъявляемых к нему эксплуатационных требований рекомендуются следующие варианты специальных мероприятий:

1. уплотнение основания временной или постоянной нагрузкой, в том числе с устройством вертикальных дрен и дренажных прорезей - для оснований I и II типов;
2. полная или частичная прорезка слоя органоминеральных и органических грунтов фундаментами, в том числе свайными, - для оснований II, IV и V типов;
3. выторфовка линз или слоев органоминерального и органического грунта с заменой его минеральным грунтом - для оснований II, IV и V типов;
4. устройство фундаментов (столбчатых, ленточных и т.п.) на песчаной, гравийной, щебеночной подушке или на предварительно уплотненной подсыпке из местного материала - для всех типов оснований;
5. устройство сооружений на плитных фундаментах, перекрестных монолитных или сборно-монолитных лентах и т.п. с конструктивными мероприятиями по повышению пространственной жесткости сооружения - для всех типов оснований.

В отдельных случаях основание, содержащее органоминеральные и  органические грунты, может быть использовано при соблюдении определенной скорости передачи нагрузки или при применении конструктивных мероприятий (введение поясов жесткости, разбивка здания на отдельные секции и т.п.). Песчаные подушки, устраиваемые под фундаментами с целью замены органоминеральных и органических грунтов, уменьшения давления на нижележащие слои, повышения, в случае необходимости, отметки подошвы фундаментов, ускорения процесса консолидации (уплотнения) нижележащих грунтов, устраивают, как правило, из песков крупных и средней крупности. В отдельных случаях допускается применение щебня, гравия, шлака или гравийно-песчаной смеси. Мелкие пески для устройства подушек не рекомендуются.

Плотность сухого грунта в  подушках из песка крупного и средней  крупности рекомендуется не менее 1,65 т/м³. Для намыва слоя грунта в качестве основания сооружения могут применяться супеси и пески любой крупности. Для ускорения консолидации намываемого слоя пылеватых песков или супесей необходимы предварительный намыв или укладка на маловодопроницаемое естественное основание, сложенное органо-минеральными и органическими грунтами, дренирующего слоя, например, из песка средней крупности.

Проектирование пригрузки должно производиться с учетом требований. При этом должны быть установлены толщина и размеры в плане пригрузочного слоя и время, необходимые для достижения заданной степени консолидации основания, а также конечная осадка основания под пригрузкой. Конечную осадку и время консолидации слоя органоминерального и органического грунта при намыве или отсыпке на него песчаного слоя определяют без учета осадки подстилающего слоя, если его модуль деформации в 10 раз и более превышает модуль деформации органоминерального и органического грунта.

Нагрузку от намыва или  отсыпки и порядок ее учета  в расчетах конечной осадки, а также  время консолидации слоя органоминерального и органического грунта определяют в соответствии с принятым проектом организации работ.

Конечную осадку слоя органоминерального и органического грунта в стабилизированном  состоянии s, м, вызванную намытым или отсыпанным слоем песка, определяют по формуле:

s = 3ph/(3E + 4p),

где р - давление от песчаной насыпи на поверхность органоминерального и органического грунта, кПа;

h - толщина слоя органоминерального и органического грунта, м:

Е - модуль деформации органоминерального и органического грунта при полной влагоемкости, кПа.

 В случае если основание,  содержащее органоминеральные и  органические грунты, состоит из  нескольких горизонтальных слоев  с различными модулями деформации, осадку всей толщи в конце  периода стабилизации определяют  как сумму осадок отдельных  слоев.