Для лёссовых грунтов при изменении влажности от
0,07 до 0,11 величина угла внутреннего трения находится в пределах 27 - 31°, а
удельное сцепление - 25 - 40 кПа. Сопротивление сдвигу лёссового макропористого
грунта при его полном водонасыщении снижается в несколько раз (угол внутреннего
трения - в 1,5 - 2 раза, сцепление - до 10 раз и более). Следует отметить, что
после завершения процесса просадки значения прочностных характеристик
постепенно возрастают [15].
1.1.2 Физико-механические свойства лёссовидных грунтов
Высокое содержание пылеватых частиц, при почти полном отсутствии фракции крупнее 0,25 мм, являются характерными особенностью лёссовидных грунтов вообще и просадочних их разностей, в частности. Последним присуще изменчивое количество глинистых частиц, обычно колеблющееся в пределах от 2 до 15% и большое количество (до 70%) частиц, размером 0,25 - 0,01 мм [17, 18].
В лёссовидных грунтах характерно значительное нарушение их связности при увлажнении, поэтому следует ожидать, что это их особенность может быть обусловлена физико-механическими свойствами. Агрегаты частиц в этих грунтах должны отличатся малой водоустойчивостью, распадаться на составные элементы в результате даже кратковременной обработки водой. В связи с этим увеличение продолжительности воздействия воды, например, при кипячении, не может вызвать резкого увеличения количество глинистых частиц или уменьшения пылеватых и песчаных. Коэффициент водоустойчивости агрегатов лёссовидных грунтов колеблется в пределах от 0,14 до 0,66 [18].
При рассмотрении вопроса о возникновении недоуплотненного состояния лёссовидных грунтов нельзя игнорировать возможного влияние состава пород. Это обстоятельство является тем более очевидным, что решающие в приобретении породами склонности к просадкам играет их минералогический состав. Так, например, высказывали мнение о том, что лёссовидный грунт, содержащий монтмориллонит (независимо от условий образования, величины пористости и т. п.), является непросадочным, а не содержащий его - просадочным [17, 18].
Основную роль в возможности возникновение недоуплотненного состояние играют условия уплотнения, иными словами, среда (наличие воды или ее отсутствие), которая окружает частицы пород.
Результаты многих исследований показывают, что просадки лёссовидных грунтов, вопреки установившимся на этот счет взглядам, происходит при влажности, не только не отвечающей сколько-нибудь близкому к полному заполнению пор, но обычно значительно меньшей величины нижнего предела пластичности и близкой к максимальной молекулярной влагоемкости. Известно, что подобная влажность является «оптимальной» для достижения предельного уплотнения грунтов [18].
По химическому составу основным компонентом лёссовидных грунтов является кремнекислота, содержащие которой превышает 60%, остальные компоненты содержит: кварц - от 62 до 65%, глинозем - от 14 до 24%, гематит - от 3 до 24% и углекислый газ - от 2 до 4% [18].
Плотность лессовидных грунтов в природном состоянии изменяется от 1,78 до 2,20 г/см3 и зависит от влажности. Объемный вес скелета лёссовидных грунтов колеблется в пределах от 1,55 до 1,68 [35].
Для лёссовидных грунтов, особенно просадочных их разностей, характерна значительная рыхлость сложения, присущая не отдельным зонам, а всей верхней части толщи эти грунтов, до значительной - 12 - 14 и более метров - глубины. Пористость лёссовидных грунтов в зависимости глубины колеблется в пределах от 42 до 50% [17].
Сопротивление лёссовидных пород сдвигу зависит
от ряда факторов, из которых главными являются плотность и влажность. Многочисленные
определения расчетных величин углов трения показали, что их значения колеблются
в зависимости от прилагаемого нормального давления и влажности в пределах от 5
до 31°. Сцепление изменяется от 0 до 0,42 кг/см2 [35].
1.2 Опыт строительства и эксплуатации земляного полотна в районах распространения лёссовых и лёссовидных грунтов
грунт колебание железнодорожный полотно
Лёссовые и лёссовидные грунты широко применяются в качестве материала для возведения различных земляных сооружений, например, насыпей железных и автомобильных дорог, плотин, дамб и т. п. Как материал эти породы используется после более или менее полного разрушения природной структуры, т. е. после потери ими в какой-то мере сцепления упрочнения. При оценке лёссовых и лёссовидных грунтов как материала на первый план выдвигаются, данные о механическом и минералогическом составе пород, естественной их влажности, наличии в них водорастворимых солей, пластичности, о механических свойствах пород в состоянии нарушения структуры и т. п. Можно отметить, что содержание водорастворимых солей в количестве 5 - 7% от веса породы не может мешать ее использованию в качестве материала для отсыпки земляных сооружений [17].
При строительстве земляных сооружений из лёссовых и лёссовидных пород, приходится решать следующие вопросы: выявления геологических условий залегания лессовой толщи в целях проектирования размещения карьеров, а также подсчета запасов этих пород; выбор метода укладки; выявление оптимальных условий уплотнения лёссовых и лёссовидных пород;
установления свойств уплотненных лёссовых и лёссовидных пород.
Решение первого вопроса сводится к применению методов и приемов разведки лёссовых и лёссовидных пород как естественных строительных материалов.
Выбор метода укладки зависит от комплекса условий: типов механизмов, источников водоснабжения, особенностей грунтов, типов сооружений и т. п. [35].
Лёсс, подвергшийся просадочным деформациям, называют обычно деградированным. Деградированный лёсс и лёссовидные грунты, как правило, менее просадочны и более плотны, чем типичные, недеградированные лёссы. Однако деградированные лессы, а также те из лессовидных грунтов, в которых, как и в деградированном лёссе, в той или иной степени разрушены структурные макропоры, склонны к сплывам и требуют пологих откосов (обычно 1:1,5) и особое внимание обращают на тщательность покрытия откосов дёрном или другими видами одежд, предохраняющими откосы от инфильтрации в них воды и от непосредственного размыва обнаженной поверхности.
Основной площадке выемок, сложенных из лёссовидных грунтов и особенно из лёссов, следует обеспечить надлежащую плотность грунтов. При необходимости её надо тщательно специально уплотнить укаткой или другими способами, чтобы обеспечить достаточную её несущую способность [62].
На рис. 1.1 показано устройства выемки в сухих лессах в условиях засушливого климата Средней Азии. Полки за кюветом обычно устраивают для того чтобы мелкие осыпи, шелушение и незначительные сколы грунта с поверхности откосов, а также потеки не попадали в кювет, а своевременно удалялись с полок. Ширина закюветной полки - 1 м при глубине выемки H < 6 м и 2 м при H = 6 ч 12 м. Расстояние а = Н + 10, со стороны будущего пути оно увеличивается на 4,1 м [63].
В районах с сухим климатом при недостаточной устойчивости близких к вертикальным откосам глубоких выемок устраивают по высоте полки через каждые 5 - 7 м шириной 1,5 м с поперечном уклоном в сторону пути 0,03. Полкам придается продольный уклон от середины выемки в обе стороны (рис. 1.2) [3].
В лёссовидных грунтах и в лёссах в условиях влажного климата (обычно со среднегодовым количеством осадков более 500 мм), откосам придается уклон 1:1,5 (рис. 1.3), а при необходимости и положе (большое значение в правильном выборе крутизны откосов в данной местности имеет изучение состояния и крутизны естественных склонов, имеющихся откосов и т. п.), при поперечном уклоне местности более 1/3 крутизна откосов устанавливается по результатам инженерно-геологических обследований с учетом физико-механических характеристик грунтов. В обоснованных случаях могут быть допущены более крутые откосы. Закюветные полки не устраиваются при высоте откосов до 2 м [63].
Во избежание деформаций основной площадки земляного полотна необходимо уплотнять с профилировкой верхний слой лёсса, чтобы сделать его практически водонепроницаемым. Толщина уплотненного слоя должна быть не менее 0,15 - 0,25 м, а коэффициент уплотнение - не менее 0,98. Кюветы и другие канавы по тем же соображениям устраивают вдавливанием грунта, а не его вырезкой и надежно защищают от инфильтрации воды из канав в грунт. Устройства банкетов и забанкетных канав в лёссах не допускают [63].
Для предупреждения просадок в толще лёсса, вызванных инфильтрацией воды, дно и откосы водоотводов должны быть покрыты слоем гидроизоляции (битум, асфальтовая мастика, гидрофобный цементогрунт и др.) с учетом допускаемых скоростей течения.
Для зашиты от размыва устраивают монолитные бетонные или сборные железобетонные покрытия с заделкой швов между сборными плитами битумом или асфальтовой мастикой [3].
В случае слоистости лёсса и лёссовидных грунтов, при которой возможны сползания масс грунта по поверхностям контактов слоев, особенно при насыщении грунта у поверхностей контактов водой, попадающей или путём инфильтрации поверхностных вод или вследствие притока грунтовых вод, должны быть приняты меры против возможных деформаций. С этой целью для предотвращения от фильтрации воды в грунт принимает надлежащие меры в виде уплотнения поверхностного слоя грунта с нарушением его структуры.
Защита от фильтрации производится на полосе земли достаточной ширины, однако в целях перехвата воды, попавшей в грунт посредством инфильтрации с поверхности, лежащей за пределами защищенной полосы, в случае необходимости должен быть устроен перехватывающий эту воду дренаж.
Расстояние этого дренажа от полевой бровки выемки (рис. 1.4) должно быть таким, чтобы масса грунта, лежащая осушенной после устройства дренажа на поверхности контакта, служила достаточным естественным упором, препятствующим смещению грунта, расположенного выше дренажа.
Полоса земли, защищенного от инфильтрации поверхностной воды в грунт, должна перекрывать место расположения дренажа (рис. 1.4).
В пересеченной местности во избежание оврагообразования следует производить покрытие полосы отвода надёжной одеждой, защищающей от размывного действия поверхностной воды даже в тех случаях, когда предохранения от инфильтрации воды не требуется.
В этих же случаях бывает целесообразно вместо устройства канав, перерезывающих травянистый покров и почву и открывающих рыхлых лёсс, делать водоотводные валики, соответственно укрепленные (рис. 1.5).
Насыпи из рыхлённых лёссов и лёссовидных грунтов должны подвергаться тщательному послойному уплотнению при их отсыпке, так же как и их основания, если они имеют такой же грунт.
Следует при определении допустимой крутизны откосов учитывать высокую гигроскопичность пылеватых карбонатных грунтов (рыхленные лёссы и лёссовидные грунты), вследствие которой обычно поверхностные слои грунта имеют повышенную влажность.
При возведении насыпи из лёссов и лёссовидных грунтов на заболоченных участках и вообще при большой влажности грунтов основания при неблагоприятном режиме грунтовых вод во избежание капиллярного поднятия воды из основания в тело насыпи производят или необходимое осушение основания или в основании насыпи укладывает слой хорошо дренирующего грунта, в котором заканчивается капиллярное поднятия воды. Толщину этого слоя следует назначать не менее 1,0 м и, во всяком случае, не менее 0,5 м (во избежание перемешивания при устройстве насыпи дренирующего грунта с грунтом остальной части насыпи). Этот слой носит название капилляропрерывателя. Однако при этом должны быть приняты меры против попадания в тело насыпи сверху и с боков недопустимого количество воды, которое может скопиться в насыпи в виде капиллярно-сеточной воды, удерживаемой менисками над капилляропрерывателем. Вместо капилляроперрывателей в основании насыпей может быть устроена надёжная гидроизоляция (рис. 1.6).
Устройство подтопляемых насыпей из лёссов и лёссовидных грунтов следует избегать. При невозможности этого насыпи проектируют с бермами или же отсыпают в пределах подтопления (с учётом капиллярного поднятия и влияния волн) из хорошо дренирующего грунта.
Поверхности откосов должны быть тщательно предохранены от размывов и инфильтрации в грунт поверхностной воды [62].
В районах искусственного орошения вследствие образования стабильного водоносного горизонта происходит замачивание толщи просадочных лёссов с резким снижением их прочностных свойств. Это вызывает нарушение устойчивости не только вертикальных откосов существующих выемок, но и основной площадки земляного полотна.
На таких участках рекомендуется уположение откосов с приданием им ступенчатого очертания, обоснованное расчетами их устойчивости, исходя из прочностных характеристик водонасыщенного лёссового грунта. Стабильность основной площадки земляного полотна достигается в результате понижения уровня грунтовых вод под кюветными дренажами. В случае заплывания кюветов необходимо их замена железобетонными лотками типовой конструкции [3].
Анализ многочисленных аварий различных сооружений, расположенных на просадочных лёссовых и лёссовидных грунтах показывает, что большинство деформаций сооружений происходит в результате неправильной эксплуатации. В связи с этим после окончания строительства на лёссовых и лёссовидных грунтах необходимо в период всей работы сооружений, а также в период эксплуатации, систематически наблюдать за деформациями сооружений, а также за состоянием конструкции верхнего строения пути и за состоянием водопропускных сооружений. Для организации нормальной технической эксплуатации земляного полотна, расположенных на просадочных грунтах, необходимо организовать специальную службу по технической эксплуатации. Для обеспечения нормальной эксплуатации сооружений, построенный на лёссовых и лёссовидных грунтах, у работников эксплуатационных служб должны находиться следующие документы [2]:
) план территории, на котором показаны все водопропускные сооружений;
) инженерно-геологическая карта района размещения сооружения с указанием характеристик просадочности отдельных слоев грунта, залегающих в пределах эксплуатируемого земляного полотна;
) систему расположения геодезических знаков, в том числе неподвижных реперов, которые используются для систематических наблюдений за осадками эксплуатируемых сооружений;
) паспорт данного сооружения, необходимый для эксплуатации.
Особенности текущего содержания земляного полотна из лёссов и лёссовидных грунтов: регулярные осмотры всех элементов земляного полотна (при значительной высоте крутых и отвесных откосов осмотр с помощью приставных, типа пожарных, лестниц); своевременная очистка и профилирование нагорных канав, закюветных полок, кюветов, обочин; заделка появляющихся за бровками и в откосах продольных и поперечных вертикальных трещин мятым лёссовым грунтом и покрытия заделки влагонепроницаемой пленкой, прикалываемой к грунту деревянными шпильками; сохранение дернового покрова в заоткосной части; зачистка участков поверхности откосов, где наблюдается отслоение шелушения грунта [3].
За участками земляного полотна железнодорожного пути, находящегося в районе распространенных лёссовых и лёссовидных грунтов, инженерно-геологические базы и путеобследовательские станции по земляному полотну должны осуществлять постоянное наблюдение. Однако эти наблюдения не заменяет систематического, текущего надзора и периодических осмотров.
Указанные организации на основании утвержденных
положений (уставов) должны: производить систематизированный осмотр всех
укрепительных, защитных, дренажных, водоотводных сооружений с необходимыми
инструментальными съемками; проверять состояние земляного полотна и его
основания при помощи бурения, шурфования и других способов с использованием
современных средств диагностирования, как инженерно-геодезический, оценки
качества основания пути с помощью нагрузочного комплекса ЛИГО; проверять
качество содержания земляного полотна, правильность ведения технической
документации [24].