книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

чаных и особенно от крупнообломочных грунтов наличием в глинистых грунтах упомянутой связности – способности сохранять форму благодаря склеивающей способности глинистой фракции.

Для глинистых грунтов важно, прежде всего, состояние их по влажности. Здесь тот же результат влияния воды: чем ее больше, тем хуже свойства грунта. Различают твердое, пластичное и текучее состояние глинистого грунта. Твердое и текучее состояние также различить легко: твердое – когда грунт при растирании рассыпается на куски, которые не склеиваются между собой; текучее – когда при формовании он не сохраняет приданную ему форму, а по наклонной плоскости может даже течь толстым слоем. Очевидно, что и термин «текучее» в названии состояния использован не случайно – чтобы зримо выделить такой грунт, подчеркивая его «слабость», непригодность для строительства без дополнительных мер.

Но абсолютное большинство глинистых грунтов в природных условиях «пребывает» в пластичном состоянии, т.е. в состоянии «уже не твердом, но еще не текучем». Строительный стандарт определяет более тонкую градацию пластичного грунта в зависимости от содержания

внем воды: полутвердое, тугопластичное, мягкопластичное, текучепластичное. Понятно, что это ряд постепенного ухудшения грунтов.

Интерес для той же строительной практики представляют мягко- и текучепластичные грунты, поскольку именно по ним проходит граница «слабых» и «неслабых» грунтов (подробнее об этом дальше). Мягкопластичный грунт можно отличить по тому, что образец из него еще может сохранять форму, а текучепластичный – сохраняет форму только непродолжительное время, после чего образец постепенно растекается

вфигуру неопределенной конфигурации.

4 Особенности грунтов в сравнении с другими материалами

Чтобы ответить на вопросы, связанные с сооружением фундаментов, целесообразно кратко осветить проблемы, связанные с существенными отличиями грунтов от других известных материалов. В первую очередь это малая прочность грунтов, их высокая сжимаемость, со-

держание вредной органики и способность многих грунтов к пучению при промерзании.

Основные законы механики грунтов, способы определения физи- ко-механических характеристик грунтов и назначение основных размеров фундаментов различных типов предполагается осветить в следующих лекциях.

41

4.1 Несущая способность, или прочность грунтов

Прочность грунтов – понятие, характеризующее ту нагрузку, которую может воспринять грунт без каких-либо неблагоприятных последствий для строения. В строительной области его чаще всего назы-

вают расчетным сопротивлением грунта и обычно обозначают бук-

вой R или Rо.

Строго говоря, несущая способность и расчетное сопротивление не одно и то же. Более строгое определение понятий расчетного сопротивления, прочности и несущей способности будет приведено в дальнейшем, а в этом разделе воспользуемся термином «расчетное сопротивление» как некоторой привычной характеристикой прочности материалов.

Различают слабые и прочные грунты, хотя подобное разделение не всегда оправданно: грунт может быть достаточно прочным для небольшого дома и оказаться в то же время слабым для сооружения, например, дымовой трубы.

Границей раздела грунтов на условно «слабые» и «неслабые», как отмечалось выше, можно считать величину расчетного сопротивления (и соответственно передаваемого на грунт давления) R = 1 кгс/см2 или, что одно и то же, 10 тс/м2, 100 Н/м2 (ньютон на м2), 1 кПа (килопаскаль), 0.1 МПа (мегапаскаль).

Большинство же грунтов имеют более высокие значения – R = 2…3 кгс/см2, даже 5 кгс/см2 и более. Очевидно, что прочность грунтов намного ниже, чем у других материалов, используемых в строительстве: у бетона R > 7.0–10 МПа, у бутовой или кирпичной кладки R > 1.0–2.0 МПа, даже дерева, не говоря уже о стали, у которой R >> 100 МПа. Это означает, что грунт в 5–10 раз менее прочен, чем кирпичная кладка, в 25–50 раз, чем бетон и как минимум в 500–1000 раз (!), чем сталь. И поэтому не случайно обычный («классический») фундамент имеет расширение внизу, называемое подошвой. Это нужно для того, чтобы безопасно перейти от материала фундамента (бетона, камня) с высокой прочностью к грунту с относительно низкой (пусть даже у прочных грунтов) прочностью.

4.2 Сжимаемость грунтов

Сжимаемость любых материалов оценивается модулем упругости (обозначают буквой Е). Для оценки сжимаемости грунтов используют подобное же по смыслу, но более адекватное понятие – модуль деформации Е (иногда Ео), о чем будет говориться далее.

Границей раздела грунтов на те же «слабые» и «неслабые» грунты можно считать величину модуля деформации Е = 5.0 МПа или, что одно и то же, 50 кгс/см2 = 500 тс/м2. Большинство грунтов имеют более высокие

42

значения – Е = 10…15 МПа, даже 30–50 МПа. Отметим, что сжимаемость грунтов намного выше, чем у других материалов: для сравнения у бетона Е > 20 000 МПа, у кирпичной кладки Е = 1000 МПа и более, у дерева Е = 700…1000 МПа, у стали Е > 20 000 МПа. Это означает, что сжимаемость грунта в 100 раз выше, чем у кирпичной кладки, в 1–2 тыс. раз, чем у бетона и почти в 10 тыс. раз, чем у стали. И поэтому классический фундамент получает после строительства здания осадки в 5–10 см и более.

4.3 Содержание органики

Признак содержания органики в грунте – темная, темно-синяя, темно-зеленая, чаще всего, совсем черная его окраска. Органические вещества – торф, остатки растительности и проч. – будут со временем разлагаться и приводить к образованию осадка. И только постоянное обводнение может прекратить этот процесс: как известно, вода не пропускает воздух, который необходим для разложения органики. Но время существования строения многое может изменить. И не случайно многие дома, построенные на торфах, со временем перекашиваются. Отсюда вывод – торфы нельзя оставлять под фундаментами. Точнее – нужно заглублять фундаменты ниже слоя торфа.

В то же время существует целое направление в области фундаментостроения – строительство на торфах и биогенных грунтах. Одним из приемов является устройство распределительных подушек (чтобы уменьшить давление, передаваемое на торфы), другим – прорезка торфов сваями и др.

4.4 Промерзание грунтов

Большинство обводненных грунтов характеризует названный ранее и понятный по смыслу уже технический термин – пучинистость. Пучинистость выражается в том, что поверхность грунта в течение зимы, пока идет промерзание, постепенно приподнимается, в том числе вместе с построенным домом. Подъем достигает 5–7, иногда даже 12–15 % от глубины промерзшего слоя. Для условий Средней России глубина промерзания колеблется от 1.7 до 2.5 м в зависимости от района, вида грунта и наличия растительности или снегового покрова. Это означает, что подъем поверхности за зиму составит от 5–7 до 15–20 см и даже больше на каждый метр глубины промерзания!

Причем гораздо опаснее не подъем, пусть даже и большой, а последующие осадки при оттаивании. Опасность в том, что оттаивание начинается сверху и проходит гораздо быстрее, чем промерзание. Выделяющаяся при оттаивании вода не может уйти вниз (поскольку там

43

еще есть мерзлота) и сильно портит грунт. Здесь и проявляются все неприятности: начинаются осадки, причем (и это – главная беда!) они крайне неравномерны, начинаются с более теплых и более освещенных солнцем сторон дома, начинаются с наружных сторон дома, где оттаивание идет быстрее. В результате возникают перекосы дома, повторяющиеся из года в год. В конце концов весь дом кривится в какую-нибудь одну сторону, чаще всего – к лицевой стороне, где, как правило, жители часто устраивают палисадник, где глубина промерзания меньше и соответственно меньше пучение.

В чем причина пучинистых проявлений? Пучение происходит изза того, что в грунтах существует вода разного типа. Различают свободную воду (именно она замерзает при нулевой температуре и немного увеличивается в объеме) и воду пленочную, которая обволакивает глинистые частицы и является, по существу, частью этих частиц. Вследствие ее особенностей пленочная вода замерзает при более низких температурах либо не замерзает вообще. Через эту незамерзшую воду в течение всей зимы вода проникает к ледяным кристаллам, образуя линзы и прослойки льда, постоянно наращивая их и раздвигая окружающие грунтовые слои.

(Заметим, что такое свойство, как пучинистость, характерно не только для грунтов, но также почти для всех пористых веществ, в которых имеется связанная, пленочная вода. Наилучший и известный всем пример – пищевое мясо, которое при замораживании «прорастает» линзами и прослойками льда и утрачивает часть своих вкусовых качеств после оттаивания. Ученые долго искали способ, как не испортить мясо при замораживании. И установили, в частности, что мясо надо замораживать быстро, т.е. при очень низкой температуре. Тогда в нем, пока оно замерзает, не успеет образоваться лед и мясо не портится.)

Из этого замечания в скобках следует важный вывод и для грунтов: независимо от того, что в суровых условиях Урала, Сибири и др. глубина промерзания грунта гораздо больше, чем в европейской части России, тем не менее, последствия промораживания одинаково опасны, поскольку в суровых условиях охлаждение грунта происходит быстрее. В мягких условиях промерзание меньше, но оно сопровождается более высоким льдообразованием. Так что еще не ясно, что опаснее – глубокое промерзание, но с меньшим льдовыделением, или неглубокое, но с бóльшим…

Большинство грунтов, встречающихся в России (разумеется, и не только в России), к сожалению, сильно пучинистые. Поверхность России на 70–80 % покрыта так называемыми пылевато-глинистыми образова-

ниями. Это термин объединяет все пучинистые грунты – суглинки, супеси, глины, пылеватые пески и проч., если, разумеется, они обводнены.

44

Для оценки пучинистости грунтов в строительных нормах (СП 22.13330.2011 [5]) используется параметр относительная деформация пучения εfn (отношение величины подъема поверхности грунта к толщине промерзающего слоя), по которому грунты разделяются на

практически непучинистые (εfn ≤ 0.001, когда пучение менее 1 мм/м),

слабо- (0.01 < εfn ≤ 0.035), средне- (0.035 < εfn ≤ 0.07) и сильнопучини-

стый (0.07 < εfn ≤ 0.12), а также чрезмернопучинистый (εfn > 0.12, пуче-

ние более 12 см/м). Для определения εfn используется параметр пучинистости Rf, который вычисляется в зависимости от влажности w, пределов пластичности wр и текучести wL, критической влажности wсr, полной влагоемкости wsat грунта и суммы абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур воздуха Мо.

Практика применения этих параметров на Среднем Урале показывает, что почти все песчаные и глинистые грунты относятся к категории пучинистых. Исключение составляют случаи, когда, например, грунты маловлажные, подземная вода расположена очень глубоко, а котлован не будет долгое время простаивать, увлажняться или промерзать.

По этой причине «классический» фундамент заглубляют так, чтобы расстояние по вертикали от поверхности земли до низа подошвы было не меньше глубины промерзания в месте постройки (заметим, что нормы проектирования допускают рассчитывать глубину промерзания с учетом тепла от дома, разумеется, она несколько меньше).

Список литературы

1.Лушников В.В. Упадет ли Невьянская башня. И как выпрямляли Пизанскую кампанилу. – Екатеринбург: Учебная книга, 2011. – 88 с.

2.Пат. 2476642 RU. Способ строительства и анализа напряженнодеформированного состояния зданий, сооружений и других протяженных по вертикали объектов на неравномерно сжимаемых грунтах / В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский, А.Я. Эпп, М.В. Сметанин. – Опубл. 27.02.2013. Бюл. № 6.

3.Соломин В.И., Лушников В.В., Оржеховский Ю.Р. Адаптивное управление параметрами грунтов и фундаментов при возведении сооружений // Сб. тр. науч. конф. СПбГАСУ. – СПб., 2012. – С. 337–342.

4.ГОСТ 25100–2012. Грунты. Классификация. – М., 2012.

5.СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений (акт. ред.

СНИП 2.02.01–83*). – М., 2016.

45

Приложение А

ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ШКАЛА

Геохронологическая шкала – геологическая временнáя шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет. Согласно общепринятым современным представлениям возраст Земли оценивается в 4.5–5 млрд лет. Подобные оценки основаны на данных определения возраста пород методами радиоизотопной датировки.

Время существования Земли разделено во времени на различные интервалы по важнейшим событиям, которые тогда происходили. Граница между эрами фанерозоя проходит по крупнейшим эволюционным событиям – глобальным вымираниям. Палеозой отделен от мезозоя крупнейшим за историю Земли пермско-триасовым вымиранием видов, мезозой отделен от кайнозоя мел-палеогеновым вымиранием.

История создания шкалы. Во второй половине XIX в. на

II–VIII сессиях Международного геологического конгресса (МГК)

в1881–1900 гг. были приняты иерархия и номенклатура большинства современных геохронологических подразделений. В последующем

Международная геохронологическая (стратиграфическая) шкала по-

стоянно уточнялась.

Конкретные названия периодам давали по разным признакам. Чаще всего использовали географические названия. Так, название кембрийского периода происходит от лат. Cambria – названия Уэльса, когда он был

всоставе Римской империи, девонского – от графства Девоншир в Англии, пермского – от г. Перми, юрского – от гор Юра в Европе. В честь древних племен названы вендский (венды – нем. название славянского народа лужицких сорбов), ордовикский и силурийский (племена кельтов – ордóвики и силýры) периоды. Реже использовались названия, связанные с составом пород. Каменноугольный период назван из-за большого количества угольных пластов, а меловой– из-за широкого распространения писчего мела.

Вгеохронологической шкале имеются чисто уральские названия:

впермском периоде палеозоя выделяют татарский, казанский, уфим-

ский, кунгурский, артинский и сакмарский века, а в каменноугольном периоде – башкирский век.

Принцип построения шкалы. Геохронологическая шкала создава-

лась для определения геологического возраста пород. Абсолютный воз-

раст, измеряемый в годах, имеет для геологов второстепенное значение. Время существования Земли разделено на два главных интервала:

эон (фанерозой) и докембрий (криптозой) – по появлению в осадочных

46

породах ископаемых остатков. Криптозой – время скрытой жизни, существовали только мягкотелые организмы, не оставляющие следов в осадочных породах. Фанерозой начался с появлением на границе эдиакария (венд) и кембрия множества видов моллюсков и других организмов, позволяющих в палеонтологии расчленять толщи по находкам ископаемой флоры и фауны.

Другое крупное деление геохронологической шкалы имеет своим истоком самые первые попытки разделить историю Земли на крупнейшие интервалы по времени. Тогда вся история была разделена на четыре периода: первичный, который эквивалентен докембрию, вторичный – палеозой и мезозой, третичный – весь кайнозой без последнего, четвертичного периода. Четвертичный период занимает особое положение. Это самый короткий период, но в нем произошло множество событий, следы которых сохранились лучше других.

Что будет потом? Земля и Солнечная система в целом будут существовать еще не менее 2–3 млрд лет. Как будут «разлинованы» следующие эры – периоды – эпохи, никто пока не знает. Но не вечно же будет существовать четвертичный период кайнозойской эры! В названиях эр – периодов – эпох сейчас уже есть «человеческие» слова – «антр» и «ген» (в антропогеновом периоде кайнозойской эры) или «техно» (техногенные образования). Что же придумают наши потомки? Поживем, как говорят оптимисты, увидим…

Геохронологическая шкала

47

Окончание таблицы

48

Приложение Б

ХАРАКТЕРИСТИКА И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИНДЕКСЫ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ГРУНТОВ

49

Приложение В

СЕМЬ ВЕЛИКИХ КАТАСТРОФ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

50