Скальные грунты

Скальные грунты  

Свойства скальных грунтов

     В  состав скальных и полускальных  грунтов входит большое количество  различных видов горных пород  — от гранита до гипса и  от мергеля до опоки, совершенно  непохожих друг на друга, отличающихся  различной способностью сопротивляться  механическим усилиям и различной  стойкостью к воздействию грунтовых  и поверхностных вод. 
Поскольку грунты с жесткой связью между частицами имеют значительное сходство с твердыми упругими телами, свойства их обычно изучаются по правилам строительной механики твердых тел. Однако при этом изучении необходимо учитывать, что испытания отдельных образцов не могут дать полное представление о свойствах грунтов в условиях природного залегания. Большинство этих грунтов характерно наличием трещиноватости и неоднородностью строения. Слои скальных и полускальных грунтов, находящихся на небольшой глубине, оказываются ослабленными выветриванием и т. п.

В ряде случаев слои скального грунта имеют слоистое строение: наличие слабого, например, глинистого прослойка в общей  толще скального грунта может  явиться причиной наклона или  сдвига сооружения.

     По  характеру связи между зернами  эти грунты можно разделить  на сцементированные грунты и  спаянные. 
В спаянных грунтах зерна связаны друг с другом непосредственно , в сцементированных —связь осуществляется веществом, находящимся между частицами и связывающим их в единое целое. Связывающее зерна вещество может целиком или частично заполнять промежутки между зернами. 
К спаянным грунтам относятся изверженные породы, большая часть метаморфических и некоторых осадочные . К сцементированным грунтам относится большая часть осадочных пород. 
Способность сопротивляться внешним механическим воздействиям и разрушающему влиянию физических и химических факторов зависит у спаянных грунтов от свойств самих зерен, а у сцементированных грунтов —как от свойств зерен, так и от свойств скрепляющего эти зерна цемента. Поэтому грунт, состоящий из весьма крепких зерен , может оказаться весьма слабым только потому, что соединяющее эти зерна вещество разрушается уже при небольших давлениях или от физико – химических воздействий. 
Иногда встречаются частично сцементированные грунты, в которых имеется соединение между зернами, но порода сцементирована не полностью.

     По  характеру цементации сцементированные  грунты разделяют на два типа: 
а) базальтовый; грунт этого типа представлен в основном цементирующим веществом, зерна основного материала, распределенные в нем, не соприкасаются друг с другом; прочность таких грунтов зависит исключительно от свойств цементирующего вещества; 
б) контактный; у этого типа грунтов зерна соприкасаются друг с другом. Контактный тип может быть со сплошным заполнением пор цементом, с цементацией в виде тонкой оболочки вокруг зерен, или с цементацией только в местах контактов зерен. 
Грунты последней разновидности характеризуются значительной пористостью и невысокими значениями механической прочности; эти грунты более интенсивно поддаются выветриванию, 
Физико – химическая стойкость грунтов в отношении выветривания зависит от свойств самих зерен и от свойств скрепляющего их цемента. У спаянных грунтов сопротивление их выветриванию является функцией свойств самих зерен. 
У сцементированных грунтов стойкость обусловливается свойствами самих зерен и свойствами скрепляющего зерна цемента. У сцементированных грунтов базальтового типа, зерна которых «погружены» в цемент, основное значение имеют именно свойства цемента, так как при стойком цементе зерна защищены от воздействия агентов выветривания. 
Под влиянием нагрузки скальные грунты сжимаются незначительно и поэтому осадка сооружений за счет сжатия скальных оснований не имеет практического значения. Полускальные грунты при обычных величинах давлений, передаваемых на них, обладают некоторой способностью пластически консолидироваться под нагрузкой.

     Основной  строительной характеристикой скальных  грунтов является предел прочности  при сжатии. Для оценки полускальных  грунтов, кроме предела прочности  при сжатии, желательно определить  коэффициент уплотнения, или модуль  деформации, и сопротивление сдвигу. Кроме того, в ряде случаев,  для обоих видов грунтов необходима  характеристика их устойчивости  к воздействию природных факторов. 
Временное сопротивление скальных грунтов сжатию и скалыванию определяют путем испытания кубиков или цилиндров. Другие более дорогие методы определения временного сопротивления сжатию, как например испытание выделенных столбов в шахтах или шурфах или испытание штампом, рекомендуются в тех случаях, когда грунт имеет слоистое строение и свойства отдельных слоев и прослоек резко отличаются. Испытания в натуре рекомендуются также в основаниях особо ответственных сооружений для оценки влияния на строительные свойства трещиноватости и других структурных особенностей породы. 
Нсводостойкие грунты могут быть разделены на растворяющиеся и размягчающиеся. 
К водостойким скальным и полускальным грунтам относятся все грунты, у которых основные зерна и скрепляющий их цемент представлены водостойкими минералами. При базальтовом типе цементации и отсутствии трещиноватости грунты могут быть отнесены к водостойким при водостойком цементирующем веществе, так как в этом случае значительное количество воды не достигает основных зерен.

 

     К  водостойким, грунтам относятся  все не нарушенные выветриванием  изверженные породы, большинство  метаморфических, а из осадочных  те, которые сцементированы кремнием. 
Остальные виды скальных грунтов относятся к промежуточной группе между водостойкими и неводостойкими грунтами. Эти грунты растворяются значительно медленнее неводостойких грунтов, однако в них часто бывают значительные промоины, карстовые воронки и пещеры. Они растворяются быстрее в тех случаях, когда вода агрессивна по отношению к ним. 
Размягчаемость зависит от минералогического состава породы и от свойств связывающего зерна цемента. Особенно сильно размягчаются породы, содержащие много глинистых минералов. Значительной размягчаемостью обладают также породы, имеющие в своем составе ангидрит, который под влиянием воды переходит в гипс со значительным увеличением объема, что Вызывает разбухание грунта и ослабление внутренних сил сцепления. 
Если размягчающиеся грунты будут работать в условиях возможного их увлажнения, необходимо учитывать следующее: 
а) уменьшение их несущей способности после размягчения; 
б) появление или повышение в связи с размягчением способности консолидироваться под нагрузкой; 
в) изменение величины сопротивления сдвигу. 
Количественная оценка способности скальных грунтов размягчаться при изменении влажностного режима производится сравнением величин предела прочности сжатию в водонасыщенном состоянии. 
При t=0,90 грунты считаются неразмягчающимися, при t = 0,90 — 0,75 —обладающими средней степенью размягчения и при t < 0,75 — сильноразмягчающимися. Если поры грунта замкнуты, слой не имеет трещин и грунт не пропускает воду, размягчение происходит лишь по контакту грунта с водоносным слоем и носит поверхностный характер. В таких случаях, кроме коэффициента размягчения, следует экспериментально определить глубину распространения размягчения, что достигается долговременным замачиванием грунта в шурфе

     Гидрохимическое  разрушение грунтов происходит  в тех случаях, когда негидростойкие  грунты попадают под воздействие  атмосферных, грунтовых или хозяйственных  вод, способных растворять их  частично или полностью. 
Чтобы составить прогноз возможности и характера гидрохимических процессов во время эксплуатации сооружения, необходимо при исследованиях установить следующее: 
а) наличие малостойких в гидрохимическом отношении грунтов; 
б) доступность этих грунтов для воздействия на них тех или иных вод во время строительства и эксплуатации сооружения; 
в) химический состав вод и их агрессивность по отношению к данным грунтам. 
Образцы грунтов для исследования гидрохимической стойкости получают из шурфов и шахт или путем структурного бурения без промывки. 
Для оценки гидрохимической стойкости требуется специальное комплексное инженерно – геологическое изучение природной обстановки и изменения ее во время устройства и эксплуатации сооружения; при этом необходимо учитывать возможность искусственного изменения свойств грунтов. 
Расчетное сопротивление грунтов скального основания определяется по формуле: 
R = kRH, где H —предел прочности на одноосное сжатие грунта в водонасыщенном состоянии, кг/см2; k —коэффициент однородности грунта, принимаемый равным 0,17. Для различных видов мергелей и окремненных глин расчетное сопротивление принимается в пределах 2,5 —7,5 кг/см2, в зависимости от величины H или коэффициента уплотнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использование скальных грунтов, подвергшихся выветриванию

 

     В течение  долгого времени считалось, что  скальные грунты, находящиеся в  процессе выветривания, нельзя использовать  в основаниях ответственных сооружений. Так, например, проф. Гельфер пишет:  «Выветренная скала должна быть  тщательно удалена без остатка,  и сооружение надлежит основывать  на прочной породе». 
В большинстве курсов по основаниям и фундаментам также указывается, что подвергшиеся выветриванию скальные породы должны быть удалены. 
Опыт строительства показывает, что в большинстве случаев имеется возможность использовать в качестве основания и эти грунты. Скала может, быть частично выветренной и все же достаточно прочной, и наоборот, нетронутой выветриванием и мало прочной по своим природным свойствам . Выветренные зоны могут находиться не на дневной поверхности, а где – то в глубине, на контакте двух слоев. 
В ряде случаев снятие выветренного слоя скального грунта может ухудшить условия устройства фундаментов. Например, такое положение возникнет, если под слоем выветренного известняка залегают влажные пластичные глины. Кроме того, имеется ряд приемов укрепления ослабленных выветриванием слоев . В качестве примера оценки строительных свойств подвергшихся выветриванию грунтов рассмотрим условия строительства на карбонатных скальных грунтах.

     Первичной формой  выветривания, особенно у известняков,  является глыбовая форма; такая  форма возникает в самом начале  выветривания, когда в результате  физических воздействий монолитный  слой породы разбивается трещинами  на отдельности в виде глыб. Так как величина поверхности  глыб незначительна по сравнению  с их объемом, химическое выветривание  в это время еще не играет  существенной роли. 
Со строительной точки зрения глыбовая форма карбонатных грунтов представляет собой систему плотно уложенных глыб, состоящих в большинстве случаев из грунта, почти полностью сохранившего свои физические свойства. 
Работа глыбовой формы под нагрузкой не вызывает сомнений. 
Следующую форму выветривания можно назвать глыбово – щебеноватой. 
В этой стадии наряду с глыбами имеется и значительное количество щебенки. 
Промежутки между крупными элементами частично или полностью заполнены обычно глинистыми грунтами. В глыбово – щебеноватой форме твердые элементы образуют основной скелет грунта; глинистые и песчаные материалы заполняют промежутки между крупными камневидными элементами. 
Данная форма со строительной точки зрения представляет неплохое основание, так как благодаря наличию скелета из твердых камневидных элементов сжатие основания под нагрузкой будет незначительным. 
Затем можно выделить глинисто – щебеноватую форму.

     В этой форме  основным материалом являются  конечные продукты выветривания, в которых «плавают» отдельные  камневидные включения, не имеющие,  как правило, непосредственных  контактов друг с другом. Эта  форма по характеру своего  строения также может быть  использована в качестве основания  сооружений. 
При изучении свойств скальных и полускальных грунтов, находящихся в глинисто – щебеноватой форме выветривания, следует непосредственно на площадке из шурфов или штолен взять значительного объема образцы , сначала выделить из них крупные включения и лишь затем остальную часть исследовать обычными приемами. При всех дальнейших определениях строительных свойств необходимо принимать в расчет наличие и значение крупных включений. Так, например, в том случае, когда крупные включения будут занимать 50 —60% объема породы и природном состоянии, очевидно, что все основные внешние воздействия будут восприниматься скелетом из этих крупных элементов, а остальная часть породы явится Лишь своего рода заполнителем промежутков. 
Приведенный в качестве примера краткий анализ вопроса показывает возможность определения строительных свойств подвергшихся выветриванию скальных пород,а следовательно, и возможность их использования в качестве оснований сооружений. Необходимо лишь достаточно детально подходить в каждом отдельном случае к определению характера строения слоев, подвергшихся выветриванию, и в соответствии с этим изменять методику их исследования. В каждом отдельном случае следует определить необходимость и глубину снятия ослабленных выветриванием грунтов в зависимости от ответственности сооружения, состояния грунтов и возможности их искусственного укрепления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение неравномерных  осадок

 

Осадка зданий - перемещения здания в процессе строительства и эксплуатации, связанные с изменениями в  грунтах оснований фундаментов. Нормативные документы регламентируют предельно допустимые вертикальные осадки зданий и неравномерные перемещения  разных частей зданий.

 
Предельно допустимые осадочные деформации

В процессе строительства  на песчаных грунтах обычно достигается 70-80% нормативной величины осадки зданий, на глинистых грунтах - 25-40%. Остальная  часть осадки зданий происходит в  период эксплуатации (более интенсивно у зданий на песчаных грунтах, достаточно медленно во времени - на глинистых  грунтах). Осадка оснований фундаментов  как системы, состоящей из отдельных  элементов, вызывается отказом одного или нескольких элементов, при этом наиболее опасны факторы, вызывающие внезапные  отказы.

Осадку зданий может  вызвать взаимодействие следующих  факторов: 
- воздействие окружающей среды (агрессия, вибрация, морозное пучение, землетрясение, увлажнение, набухание грунта и другие); отклонение от требований СНиП и ТУ по изготовлению, перевозке конструкций, монтажу, забивке свай, хранению, эксплуатации, контролю качества и несущей способности и другие; 
- неправильные исходные данные (неточность расчета, неправильное определение характеристик грунта и другие), функциональные воздействия (расположенные рядом существующие здания, сваи или фундаменты, ограниченность площадки строительства и другие).

Осадочные трещины  в конструкциях зданий, как правило, возникают лишь при неравномерных  осадках. Различают следующие виды неравномерных осадок зданий: прогиб (а), выгиб (б), кручение (в), перенос (г). Причинами  этих деформаций могут быть: неравномерность удельного давления на грунты оснований под подошвой фундаментов; неоднородность и разнопрочность грунтов оснований; неоднородность сжимаемости из-за различных факторов (например, наличие жесткости включений карстовых или других пустот, местное замачивание лессовых или оттаивание вечномерзлых грунтов и т.д.); влияние горных выработок (подработок) или отрывка открытых котлованов и траншей вблизи здания; влияние вибрации (например, забивка свай в непосредственной близости от здания).

 
Схема неравномерных осадок зданий

 
Осадочные трещины

При обследовании деформированных зданий составляют чертежи и выполняют фотоснимки, характеризующие расположение трещин и других деформаций, их размер и  развитие, характер раскрытия трещин (кверху или книзу), расположение поперечных стен, расчленение здания трещинами  на блоки и условия устойчивости отдельных блоков. Деформации прогиба, выгиба и перекоса часто вызываются различными модулями деформаций грунтов  под разными участками зданий. При прогибе трещины концентрируются  у фундамента и расширяются книзу. Они угасают к подоконникам первого  этажа (реже второго). При выгибе трещины  образуются в карнизе. Их количество и раскрытие уменьшаются книзу. Обычно прогиб здания менее опасен, чем выгиб. При прогибе здание почти никогда не теряет общей  связи и не разламывается, не появляются опасные отдельно стоящие блоки.

В практике эксплуатации зданий (особенно старых кирпичных) наиболее часто наблюдается выгиб, что  объясняется перегрузкой продольных стен наиболее тяжелыми торцевыми (часто  глухими) стенами. Устройство в зданиях  арочных проездов у торцов еще  больше способствует этому явлению.

При изгибе стены (в  ее плоскости) вследствие неравномерной  осадки возникают трещины. По гипотезе наибольших касательных напряжений (О.Мор) первичные поверхностные  разрушения всегда обнаруживают признаки сдвига. Эти поверхности всегда покрыты  мельчайшей пылью, в то время как  вторичные поверхности, обусловленные  разрывом, обладают гладкой и твердой  поверхностью. Наклонные трещины  в стенах, цоколе, фундаменте с одинаковыми  направлениями и раскрытием являются действием поперечных сил, а не изгибающих моментов. При изгибе трещины имеют  форму параболы, причем при внезапных  сильных осадках парабола имеет  большую величину оси по сравнению  с хордой. По наклону трещин нетрудно судить, какая часть здания оседает.

Зависимости относительного прогиба  стен и максимального угла поворота определяют условия и возможности  появления трещин в кирпичных  зданиях при неравномерных осадках. Осадку зданий можно классифицировать и по степени ответственности 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация деформаций по степени повреждения  несущих конструкций

Перекос (рис. 1, а) определяется по разности осадок двух соседних опор (от наиневыгоднейшей, но возможной  комбинации загружения), отнесенной к  расстоянию между осями этих опор, если статическая схема сооружения обеспечивает при неравномерности  осадки сохранение вертикального положения  этих опор.

Рисунок 1. Виды неравномерных осадок

а — перекос; 

б — крен фундамента; 

в — прогиб;

 г — выгиб;

 д — крен  сооружения

 

Крен имеет место при  неравномерных осадках, когда сооружения или его части получают отклонение от вертикали, а также в случае неравномерных осадок краевых точек  отдельных фундаментов (рис. 1,б). Он определяется как разность осадок, отнесенная к соответствующему размеру  фундамента или расстоянию между  крайними или осевыми точками  фундаментов, жестко завязанных конструкцией сооружения (рис. 1,д).

Относительный прогиб характерен для конструкций стен, способных  оказывать сопротивление изгибу. Относительный прогиб характеризуется  стрелой прогиба или выгиба (рис. 1,в и рис. 1,г), отнесенной к длине  части здания или сооружения, получающей изгиб.

Величины неравномерностей осадок ΔS не должны превышать соответствующих  предельных значений:

ΔS ≤ ΔS_пр 

Предельные значения неравномерности осадок ограничиваются нормами в зависимости от вида деформации, характера несущих конструкций  зданий или сооружений и состава  грунта. Их величины указаны в 

Большее значение неравномерности предельной деформации основания ΔSпр (по табл. 6) для глинистых грунтов, находящихся в пластичном состоянии, объясняется тем, что эти деформации развиваются во времени медленно. В процессе медленного нарастания неравномерности осадки в материалах несущих конструкций зданий и сооружений возникают деформации ползучести, и дополнительные усилия, появляющиеся в конструкциях при неравномерных осадках основания, существенно снижаются.

В тех случаях, когда по эксплуатационным соображениям к несущим конструкциям зданий и  сооружений предъявляются повышенные требования к стабильности их положения  или они более чувствительны  к неравномерным осадкам основания, чем конструкции, указанные в табл. 5 и 6, необходимо предварительно определить предельную величину неравномерности деформации основания ΔSпр

Величина ΔSпр должна устанавливаться исходя из учета влияния осадок, горизонтальных смещений основания, поворотов и деформаций тела фундамента на напряженное состояние конструкций, а также на условия эксплуатации зданий и сооружений и связанных с ними устройств.

В необходимых  случаях деформации оснований могут  рассматриваться раздельно для  периодов строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Если скорость нарастания давления на основание не превышает 1 кГ/см2 в месяц, то в соответствии с нормами принимается, что осадки фундаментов на песчаных грунтах и глинистых (непросадочных) грунтах твердой консистенции при В<0 заканчиваются за период строительства. Однако иногда для глинистых грунтов при В<0 приходится учитывать деформации ползучести, а осадки фундаментов на таких грунтах с показателем консистенции В≥0 считают развивающимися за период строительства в пределах 50% их полной величины; остальная часть осадки развивается в период эксплуатации здания или сооружения.

Различают следующие виды деформаций оснований, величины которых  ограничены нормами: абсолютные осадки; средние осадки здания, сооружения или обособленной его части; перекос  или крен; относительный прогиб или  выгиб (перегиб).

Абсолютные осадки рассматриваются  при проектировании отдельных фундаментов  под колонны промышленных или  аналогичных им зданий. При расчете  оснований интересует максимальная величина абсолютной осадки отдельного фундамента, которая определяется исходя из наиболее неблагоприятных грунтовых  условий для данной группы фундаментов.

Средние осадки S_cp обособленной части, а также всего здания или сооружения определяются как средневзвешенное значение абсолютных осадок отдельных фундаментов, имеющих взаимосвязанную надземную конструкцию:

 

где S₁, S₂ S_n — абсолютные осадки разнотипных отдельных фундаментов или лент;

F₁ F₂F_n — площади подошвы соответствующих фундаментов;

n₁, n₂ n_n — количество фундаментов соответствующих типов.

При одном типе фундаментов  под рассчитываемой обособленной частью сооружения величина S_ср определяется по осадкам трех фундаментов (минимум), имеющих в основании различное напластование грунтов или различное влияние загружения соседних фундаментов, площадей. В случае устройства сплошного фундамента-плиты средняя осадка вычисляется по данным не менее, чем трех буровых колонок.

Определение предельного  состояния по абсолютному значению и средней величине осадок допустимо, если основание сложено по всей площади  рассчитываемой обособленной части  здания относительно горизонтально  залегающими слоями однородных грунтов, сжимаемость которых с глубиной не увеличивается, а также в тех случаях, когда отклонение абсолютных осадок от средней величины не превышает 50% последней.

Величины абсолютных и  средних осадок (S_аб и S_ср), установленные расчетом, не должны превышать предельных значений: (формула 6)

 

 

 

 

здесь S_np. _ср и S_np._аб — предельные значения соответственно средних и абсолютных осадок, устанавливаемые по табл. 5. Развитие неравномерности осадки характеризуется перекосом, креном и относительным прогибом или выгибом (рис. 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература :

    Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебное пособие М55 для строит.спец.вузов. / С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский и другие.; Под редакцией С.Б. Ухова. – 4- е из., стер. – М.: Высш.Шк., 2007. – 566с.

    Механика грунтов: Учебное пособие для строит.спец.вузов. / Цытович Н.А и другие.; Под редакцией Цытович Н.А. – 4- е из., стер. – М.: Высш.шк., 2007. – 566с.