Рекомендации по учету органических веществ в глинистых грунтах при проектировании оснований
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УЧЕТУ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНОВАНИЙ
В Рекомендациях выделены генетические типы грунтов с органическими примесями предельно малой и малой степени литификации. Указаны методические особенности при исследовании свойств гумусированных и заторфованных грунтов, а также особенности проектирования и строительства на таких грунтах. Рекомендации могут быть использованы грунтовыми лабораториями и проектно-изыскательскими отделами при исследовании гумусированных и заторфованных грунтов как оснований сооружений.
Рекомендации составлены в лаборатории методов исследования грунтов НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР канд. техн. наук Г.В. Сорокиной на основе проведенных исследований гумусированных и заторфованных грунтов и обобщения материалов исследований Латгипропрома, Гидрокоммунстроя, Укрюжгипроводхоза, Латвийского территориального отдела Промстройпроекта и Фундаментпроекта. Издание 2-е, дополненное.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на учет органических веществ в глинистых грунтах малой степени литификации (малоуплотненных — от текучей до пластичной консистенции) при проектировании оснований (таблица 1.1).
Схема классификации органических грунтов и грунтов, содержащих органические вещества в начальной стадии формирования (малой степени литификации)
1.2. Проектировать основания на указанных грунтах рекомендуется на основе данных изысканий и исследований грунтов, выполненных в соответствии с требованиями 9 главы СНиП II.9-78 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» и других нормативных документов по инженерным изысканиям и исследованиям грунтов, утвержденных Госстроем СССР с учетом настоящих Рекомендаций.
1.3. При оценке свойств грунтов с органическими веществами рекомендуется различать и определять раздельно органические (растительные) остатки, находящиеся в грунте в виде неразложившихся механических включений, не утерявших своей структуры (заторфованность) и аморфные гумусированные органические вещества (гумус).
1.4. Исследовать глинистые гумусированные и заторфованные грунты малой степени литификации следует с учетом их особенностей и методов строительства на них.
1.5. При строительстве на водонасыщенных (S_{r}>0,85) глинистых гумусированных и заторфованных грунтах, испытывающих большую непрерывную деформируемость при малых нагрузках, рекомендуется проводить следующие предпостроечные мероприятия:
а) предпостроечное уплотнение территории, подлежащей застройке, путем огрузки временной или постоянной насыпью или пригрузки массивами с устройством фильтрующего слоя, дренажных прорезей или скважин;
б) временное или постоянное водопонижение;
в) водопонижение в песчаном слое, подстилающем гумусированные и заторфованные грунты.
1.6. При проектировании огрузки больших площадей глинистых гумусированных и заторфованных грунтов следует принимать условие вертикального сжатия грунта без возможности бокового расширения.
Конечную осадку и сроки консолидации в данном случае возможно рассчитывать по испытаниям на сжимаемость грунтов в одометре.
1.7. При проектировании на основании, сложенном водонасыщенными гумусированными глинистыми и заторфованными грунтами (S_{r}>0,85) , медленно уплотняющимися (коэффициент консолидации C_{v}<1 \cdot 10^{7} \frac{\text{см}^{2}}{\text{год}} ), следует учитывать возможность возникновения от нагрузки нестабилизированного состояния грунтов основания за счет образования избыточного давления в поровой воде, анизотропию прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик, а также тиксотропию илов.
1.8. Устойчивость сооружения на сильносжимаемом основании может быть определена по приближенным формулам, основанным на решениях Прандтля d_{g} = 5,14C , где учитывается только сцепление.
2. НОМЕНКЛАТУРА ГРУНТОВ
2.1. Грунты с содержанием органических веществ следует подразделять на гумусированные с содержанием гумуса и заторфованные, содержащие кроме гумуса растительные остатки.
2.2. Для заторфованных грунтов следует учитывать степень заторфованности грунта, если она больше 10%, и степень разложения <*>.
<*> Степенью разложения грунта D_{pd} называется соотношение между количеством гумуса и неразложившегося органического волокна (%).
Степенью заторфованности грунта I_{\text{от}} называется отношение веса растительных остатков в образце грунта, высушенных при температуре 100 — 105°, к весу сухого грунта.
В зависимости от степени заторфованности пылевато-глинистым грунтам присваиваются дополнительные наименования согласно табл. 2.1.
Степень заторфованности грунта
Пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины, илы) с примесью растительных остатков
2.3. В зависимости от содержания гумуса пылевато-глинистым грунтам присваиваются дополнительные наименования согласно табл. 2.2.
Гумусированные глины в зависимости от числа пластичности следует подразделять на:
малопластичные 17<I_{p} \leq 25
среднепластичные 25<I_{p} \leq 40
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГУМУСИРОВАННЫХ И ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТОВ
3.1. При исследовании заторфованных и гумусированных грунтов следует учитывать возможное влияние растительных остатков (степень заторфованности) и органических коллоидов (содержание гумуса).
3.2. Степень заторфованности грунта I_{\text{от}} определяют по отношению массы растительных остатков в образце грунта, высушенных при температуре 100 — 105°, к массе сухого грунта.
3.3. Соотношение неразложившегося органического вещества (растительных остатков, волокна) и гумуса — степень разложения (D_{pd}) — определяют по ГОСТ 10650-72. Торф. Метод определения степени разложения. Сущность метода заключается в отделении гумуса торфа от волокна в водной среде центрифугированием с последующим определением степени разложения торфа с помощью графика.
Метод позволяет исследовать грунты со степенью разложения менее 75%.
3.4. Растительные остатки выделяют из грунта сухим или мокрым способом и определяют их количество по ГОСТ 23740-79. Грунты. Методы лабораторного определения содержания органических веществ (М., Издательство стандартов, 1979).
Количество гумуса в грунтах следует устанавливать по содержанию углерода разложившихся органических веществ в грунте, определенного оксидометрическим методом или методом сухого сжигания в соответствии с требованиями ГОСТ 23740-79.
3.5. Нормативные значения характеристик заторфованных и гумусированных грунтов, как правило, должны устанавливаться на основе непосредственных определений при изысканиях, выполняемых для природного состояния грунтов с учетом возможного изменения их свойств в процессе строительства и эксплуатации сооружения.
3.6. Для исследования заторфованных и гумусированных грунтов рекомендуется применять полевые методы исследования, исключающие динамическое воздействие на грунт.
Характеристики деформируемости грунтов с органическими примесями в полевых условиях рекомендуется определять с помощью штампов и прессиометров по ГОСТ 20276-85. Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости. М., Издательство стандартов, 1985. Характеристики прочности этих грунтов в полевых условиях рекомендуется определять методом вращательного среза по ГОСТ 21719-80. Грунты. Методы полевых испытаний на срез, в скважинах и в массиве (М., Изд-во стандартов, 1980).
3.7. Полевые методы исследования должны дополняться получением нормативных значений характеристик грунтов в лаборатории по отобранным образцам для установления изменения их свойств под нагрузкой с изменением коэффициента пористости.
3.8. Отбор образцов с ненарушенной структурой рекомендуется проводить в соответствии с требованиями ГОСТ 12071-84. Грунты. Отбор, упаковка, хранение и транспортирование образцов (М., Изд-во стандартов, 1985). При отборе образцов из скважин следует применять метод обуривания. Методы задавливания при отборе грунтов со слабыми структурными связями приводят к уплотнению грунта.
3.9. Деформируемость заторфованных и гумусированных грунтов под нагрузкой рекомендуется определять в одометрах в условиях отсутствия бокового расширения (компрессионный опыт) и результаты обрабатывать в виде экспоненциальной зависимости коэффициента пористости e_{n} от напряжения \sigma_{n} :
e_{n} = e_{\text{к}} + bexp(a\sigma_{n}) , (3.1)
e_{\text{к}} — конечное значение коэффициента пористости, к которому стремится компрессионная кривая;
a — имеет размерность коэффициента уплотнения, \text{МПа}^{- 1} ;
exp — экспоненционная функция a\sigma_{n} .
3.10. Параметры компрессионной кривой определяются путем ее аппроксимации.
Для нахождения параметров компрессионной кривой, логарифмируют выражение 3.1
lg(e_{n} - e_{\text{к}}) = lgb + a\sigma_{n}lge .
Для нахождения e_{\text{к}} берут две произвольные точки на компрессионной кривой e_{1};\sigma_{1} , e_{2};\sigma_{2} .
Затем выбирают третью точку так, чтобы \sigma_{3} = \frac{1}{2} (\sigma_{1} + \sigma_{2}) , и для нее находят по кривой e_{3} .
e_{1} = be^{a\sigma_{1}} + e_{\text{к}} ;
e_{2} = be^{a\sigma_{2}} + e_{\text{к}} ;
e_{3} = be^{a\sigma_{3}} + e_{\text{к}} ;
lg \frac{(e_{2} - e_{\text{к}})}{b} = alge\sigma_{2} ;
lg \frac{(e_{3} - e_{\text{к}})}{b} = alge\sigma_{3}
e_{\text{к}} = \frac{e_{1} \cdot e_{2} - e_{3}^{2}}{e_{1} + e_{2} - 2e_{3}} .
Для определения параметров a и b разбивают всю совокупность точек компрессионной кривой на две группы. Суммируют каждую группу и составляют два уравнения для первой и второй групп точек:
где n — число членов в каждой группе.
Из двух уравнений находят неизвестные параметры a и b (см. пример аппроксимации в табл. 3.1).
Пример аппроксимации компрессионной кривой глинистого ила экспонентной типа e_{n} = e_{\text{к}} + bexp(a\sigma)
Рис. 3.1. Компрессионная кривая для гумусированного глинистого ила (Калининград, ЦБК-2, скв. 37, глубина 8 — 8,2 м)
3.11. Определение сжимаемости грунта рекомендуется производить при осевом фильтрационном потоке в компрессионном приборе (одометре) на образцах ненарушенного сложения в подводном состоянии без возможности набухания (под арретиром) по ГОСТ 23908-79. Грунты. Метод лабораторного определения сжимаемости (М., Изд-во стандартов, 1980). Испытывают образцы цилиндрической формы с минимальной высотой 20 мм и при отношении между диаметром и высотой, равном 3,5. При испытании сильносжимаемых заторфованных грунтов рекомендуется применять рычаги в форме дисков.
В качестве фильтрующих поверхностей рекомендуются керамические пористые диски, которые следует покрывать бумажными фильтрами. Образцы заливают грунтовой водой или водной вытяжкой. Давление на образец грунта передают с помощью рычажного пресса ступенями до 0,15 — 0,20 МПа. В компрессионном опыте постепенно увеличивается нагрузка, начиная от 0,001 МПа и до начала деформации (начальные показания мессуры). Это давление фиксируется как \sigma_{\text{стр}} и в зависимости от его величины определяются ступени нагрузки.
Учитывая, что газонасыщенные образцы могут увеличиваться в объеме при подъеме их на поверхность, рекомендуется вычислять по формуле В.Г. Булычева [1] величину набухания:
\Delta h_{\text{н}} = \frac{he_{0}(1 - S_{r})}{1 + e_{0}} , (3.2)
Деформацию набухания рекомендуется устранять путем обжатия образца под арретиром на величину \Delta h_{\text{н}} или учитывать путем корректировки компрессионной кривой после ее построения (см. ниже).
За стабилизацию деформации рекомендуется принимать деформацию, не превышающую 0,01 мм за 12 часов.
Коэффициент пористости для каждой ступени нагрузки в компрессионном испытании рекомендуется вычислять по формуле
e_{n} = e_{0} - \frac{\Delta h}{h} (1 + e_{0}) , (3.3)
где e_{0} — начальный коэффициент пористости;
e_{n} — коэффициент пористости при \sigma_{n} ;
\Delta h — деформация образца, мм;
На рис. 3.2 показана компрессионная кривая для глинистого ила из бухты Врангеля; г, б, в — экспериментальная кривая без учета разбухания образца. Для внесения поправки на разбухание по формуле 3.2 получена величина \Delta h_{\text{н}} , равная 0,984 мм, ей соответствует относительная деформация \frac{\Delta h}{h} , равная 0,0492. Зная относительную деформацию, по формуле (3.3) легко вычислить действительный коэффициент пористости e_{\text{прив}} , который имел образец в природном залегании.
Рис. 3.2. Приведенная компрессионная кривая гумусированного пылевато-глинистого грунта
Для рассмотренного примера приведенный коэффициент пористости e_{\text{прив}} = 1,465 . Приведенная компрессионная кривая г, д, в. Кривая д, в от точки \sigma (\sigma_{\text{стр}}) соответствует аналитическому выражению (3.1), в котором
3.12. Коэффициент консолидации C_{v} пылевато-глинистых гумусированных и заторфованных грунтов рекомендуется определять путем обработки кривой консолидации по методу Тейлора [4] «квадратный корень из времени». Кривая консолидации строится по данным испытаний грунта ненарушенной структуры в компрессионном приборе под постоянным заданным давлением, по величине соответствующей проектному. Перед испытанием образцы грунта уплотняются нагрузкой, эквивалентной природной («структурная прочность»), которая соответствует началу сжатия образца в компрессионном приборе и определяется в соответствии ГОСТ 23908 и п. 3.11. Нагрузка на образец передается мгновенно, отсчеты по мессуре записываются через 5, 15, 30 с; 1, 2, 3, 5, 10, 15, 30, 60 минут, далее через каждый час до 8 часов и затем 2 раза в сутки.
3.13. Тейлор рекомендует основываться на обработке экспериментальной и теоретической кривых консолидации.
Экспериментальная кривая консолидации (рис. 3.3а) составляется в координатах — корень квадратный из времени в минутах (ось абсцисс) и сжатие образца (ось ординат).
Теоретическая кривая консолидации представляется в координатах соответственно — корень квадратный из времени (коэффициента времени) и средний коэффициент консолидации.
Теоретическая кривая консолидации до степени консолидации примерно 0,60 представляет собой прямую линию.
Абсцисса кривой (рис. 3.3б) при консолидации 0,90 (точка А на графике б) равна 1,15 абсциссы прямой, являющейся продолжением прямолинейного участка (точка Б на графике 3.3б).
Это обстоятельство позволяет определить на лабораторной кривой (рис. 3.3а) точку, соответствующую степени консолидации 0,90. Для этой цели к экспериментальной кривой консолидации на ее начальном участке проводят касательную, пересекающую ось ординат (t = 0) обычно несколько ниже экспериментальной кривой ( d_{s} — соответствует в данном случае 5,326 у.е. в силу влияния газонасыщения поровой воды; d_{s} — называется приведенным нулем). Затем проводят вторую прямую, абсциссы которой составляют 1,15 абсцисс первой прямой.
Пересечение второй прямой с экспериментальной кривой дает время t_{90} (или \sqrt{t_{90}} ), соответствующее степени консолидации 0,90.
Коэффициент консолидации для экспериментальной кривой определяется из уравнения
T_{90} = \frac{C_{v}t_{90}}{(\frac{H}{2})2} , (3.4)
где T_{90} — коэффициент или фактор времени, соответствующий степени консолидации 90%;
C_{v} — коэффициент консолидации;
\frac{H}{2} — при двухсторонней фильтрации половина высоты образца в начале и в конце данного приращения нагрузки.
C_{v} = \frac{T_{90}(\frac{H}{2})2}{t_{90}} . (3.5)
Поскольку характеристики грунта и толщина сжимаемого слоя входят в уравнение определения степени консолидации U = f(T) только в комбинации, представленной безразмерным фактором времени T, значение U будет одним и тем же для любого пласта, который консолидируется в одинаковых условиях нагрузки и дренирования. Оно было определено Терцаги с помощью дифференциального уравнения консолидации для всех условий, имевших практическое значение.
Полученные Терцаги результаты представлены в виде графика и таблиц на рис. 3.4.
Для определения C_{v} по уравнению (3.5) T_{90} берут из таблицы на рис. 3.4, t_{90} определяют графически по экспериментальной кривой консолидации (см. рис. 3.3).
Для определения доли деформации грунта за счет ползучести определяют общее, первичное и вторичное сжатие.
За общее сжатие принимается разность между начальным сжатием (в данном случае d_{0} = 5397\text{усл}.\text{ед}. ) и суточным сжатием (d_{f} = 3754\text{усл}.\text{ед}.) .
Разность между d_{s} - d_{0} (рис. 3.3) называется первичным сжатием. Отношение первичного сжатия к общему сжатию называется степенью первичного сжатия (r_{1}) и определяется по формуле
r_{1} = \frac{10}{9} \frac{(d_{s} - d_{90})}{(d_{0} - d_{f})} , (3.6)
т.е. общее сжатие под нагрузкой состоит из трех частей: начального сжатия от d_{0} до d_{s} ; первичного сжатия от d_{s} до d_{100} и вторичного сжатия от d_{100} до d_{f} .
Такое подразделение сжимаемости является условным и не объясняет физической природы грунта, но позволяет получить общие закономерности изменения доли первичного и вторичного сжатия при консолидации.
3.14. Пример определения коэффициента консолидации пылевато-глинистого гумусированного ила.
На основании экспериментальных данных в табл. 3.2 построена кривая AB (рис. 3.5) в координатах корень квадратный из времени в минутах (графа 4) и сжатие в условных единицах 1/10000 см (графа 8). К начальному участку кривой проводится касательная ab и из точки пересечения касательной с осью ординат проводится вторая прямая ac, абсциссы которой равны 1,15 соответствующих абсцисс прямой ab.
Форма записи экспериментальных данных для определения
коэффициента консолидации ила методом квадратных корней
из времени при нормальном давлении 0,025 МПа
Рис. 3.5. Определение коэффициента консолидации пылевато-глинистого гумусированного ила (лаб. № 216) методом квадратного корня из времени
Приведенный нуль d_{s} соответствует сжатию в 4,920 у.е.
Сжатие 4,390 у.е. соответствует консолидации 90%, а время, соответствующее этой консолидации, равно 5,1^{2}\text{мин} .
Коэффициент консолидации C_{v} из уравнения (3.5) равен:
C_{v} = \frac{0,933(1)^{2}\text{см}}{26,01\text{мин}. \times 60} = 5,98 \times 10^{- 4} \frac{\text{см}^{2}}{\text{с}} = 1,79 \times 10^{4} \frac{\text{см}^{2}}{\text{год}} \text{или }1,79 \frac{\text{м}^{2}}{\text{год}} .
Примечание. C_{v} = 1 \frac{\text{см}^{2}}{\text{с}} = 3 \times 10^{7} \frac{\text{см}^{2}}{\text{год}} .
3.15. Фильтрационные характеристики (коэффициент фильтрации K и начальный градиент напора i_{0} ) рекомендуется определять в одометрах (компрессионных приборах) после стабилизации деформации грунта под нагрузкой. Фильтрацию следует проводить при движении воды сверху вниз, при небольших (1 — 4) переменных градиентах напора.
Через образец следует пропускать грунтовую воду или вытяжку из исследуемого грунта. Фильтрация дистиллированной воды не допускается.
Фильтрационные характеристики заторфованных грунтов малой степени литификации в одометре следует определять по методике, изложенной в Рекомендациях [3].
Примечание. При определении сжимаемости и коэффициента фильтрации гумусированных и заторфованных грунтов следует учитывать их анизотропию, для чего необходимо исследовать образец в двух направлениях.
3.16. Для оценки прочности гумусированных и заторфованных грунтов малой степени литификации к началу строительного периода рекомендуется проводить неконсолидированно-недренированные испытания в условиях трехосного сжатая.
Для оценки прочности грунтов \tau при возможности дренирования и уплотнения под нагрузкой от сооружения (конец строительного периода и период эксплуатации сооружения) следует проводить консолидированно-дренированные испытания.
Испытания на прочность должны проводиться не менее чем при трех гидростатических (средних нормальных) давлениях.
Величины гидростатического давления должны изменяться в интервале от \sigma_{\text{стр}} (\sigma_{\text{э}}) до величины предполагаемой проектной нагрузки.
Испытания грунтов в условиях трехосного сжатия следует проводить до ГОСТ 26.518-85. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости при трехосном сжатии (М., Изд-во стандартов, 1985).
Количество частных определений \tau для вычисления нормативного и расчетного значения Y и C зависит от неоднородности грунта основания и требуемой точности вычисления и должно устанавливаться способом доверительных пределов в соответствии с приложением 3 ГОСТ 20522-75. Грунты. Метод статистической обработки результатов определений характеристик (М., Издательство стандартов, 1975).
3.17. При определении водных свойств (влажности W, границ текучести W_{L} и раскатывания W_{\text{р}} , максимальной молекулярной влагоемкости W_{\text{м}} и полной влагоемкости W_{\text{в}} ) гумусированных и заторфованных грунтов рекомендуется учитывать способность органических коллоидов к старению во времени (коагуляция коллоидов при подсушивании) и определять эти свойства только из грунта природной влажности без предварительного подсушивания на воздухе. Избыток влаги из грунта может быть удален путем сжатия под грузом 2 — 5 кг или прессом между прокладками из хлопчатобумажной ткани и фильтровальной бумаги.
Для грунтов с содержанием растительных остатков более 30% определение границы раскатывания из-за возникающих трудностей может быть заменено определением максимальной молекулярной влагоемкости.
При определении природной влажности грунтов и влажности на границах раскатывания и текучести следует руководствоваться ГОСТом 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик (М., Издательство стандартов, 1985), а при определении максимальной молекулярной влагоемкости и полной влагоемкости можно использовать имеющиеся руководства по исследованию физических свойств грунтов.
3.18. Плотность частиц ( \rho_{s} , г/см3) гумусированных и заторфованных грунтов рекомендуется определять циклометрическим методом в керосине в соответствии с ГОСТ 5180-84. Для удаления пузырьков воздуха из грунта применяется вакуумирование.
3.19. Гранулометрический состав мелкозема гумусированных грунтов рекомендуется определять только из грунта природной влажности при помощи ареометра в соответствии с ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава (М., Изд-во стандартов, 1980).
Подготовку грунта к анализу рекомендуется проводить путем растирания навески в 40 — 50 г в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником в течение 40 мин при постепенном добавлении дистиллированной воды до состояния густой сметаны.
3.20. Рекомендуется учитывать структурную связность гумусированных и заторфованных грунтов. При содержании растительных остатков до 20% для определения структурной связности можно рекомендовать метод расплющивания.
Метод изложен в Инструкции по определению структурной связности пластичных глинистых грунтов (2).
3.21. Для гумусированных грунтов малой степени литификации рекомендуется учитывать тиксотропию.
Для оценки тиксотропной потери прочности грунта при механических воздействиях и ее восстановления во времени рекомендуется применять метод вращательного среза в полевых и лабораторных условиях. Для установления времени тиксотропного восстановления структуры грунта во времени необходимо принимать меры для сохранения природной влажности грунта.
Тиксотропность грунта может оцениваться коэффициентом тиксотропного упрочнения R_{\text{упр}} , равного отношению максимального значения предельного сопротивления сдвигу \tau_{max} к минимальным значениям \tau_{min} в первый момент после тиксотропного разрушения структуры. Также показателем тиксотропности грунта может быть время тиксотропного восстановления структуры. Тиксотропию рекомендуется определять в соответствии с Рекомендациями [3].
4. СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГУМУСИРОВАННЫХ И ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УЧЕТУ ОРГАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ
4.1. Рекомендуется при производстве изысканий, проектировании и исследовании свойств глинистых грунтов в строительных целях учитывать наличие в грунте органических коллоидов (гумуса) более 2% и растительных остатков более 5%. Органические коллоиды обусловливают способность грунта к «старению-коагуляции», благодаря чему уменьшается количество глинистых частиц и пластичность грунта. Это проявляется при длительном хранении и подсушивании образцов грунта.
4.2. Рекомендуется при оценке строительных свойств грунтов малой степени литификации, содержащих органические вещества, учитывать их структурную связность как резерв прочности за счет структурных связей и тиксотропию, обусловливающую потерю прочности при механических и сейсмических воздействиях на грунт с возможным ее восстановлением при устранении причины разрушения структуры. Тиксотропия грунтов может проявляться при забивке свай, при производстве работ по устройству фундаментов, при землетрясениях.
4.3. Следует учитывать, что физико-механические свойства глинистых гумусированных и заторфованных грунтов в основном определяются большой гидрофильностью органического вещества. Чем меньше степень разложения растительных остатков, тем выше гидрофильность грунтов. За показатель гидрофильности грунта рекомендуется принимать полную влагоемкость или границу текучести.
Полная влагоемкость торфов 1400 — 500%, заторфованных грунтов — 500%; глинистых гумусированных грунтов < 200%.
4.4. Необходимо иметь в виду, что характер влияния органического вещества в глинистых грунтах на их пластичность зависит от его вида. В прямой зависимости находится количество гумуса C_{\text{орг}} в грунте с влажностью на границах текучести и раскатывания. Для аллювиальных, морских и озерных глинистых гумусированных грунтов Балтийского бассейна эти зависимости описываются уравнениями:
W_{L} = 27,855 + 3,366C_{\text{орг}} (4.1); r = 0,706; \delta_{W_{L}} = \pm 21,4%
W_{\text{р}} = 24,659 + 3,74C_{\text{орг}} (4.2); r = 0,671; \delta_{W_{\text{р}}} = \pm 10,5% ,
r — коэффициент корреляции; \delta — среднеквадратичное отклонение.
Число пластичности в зависимости от содержания гумуса изменяется для этих грунтов по уравнению:
I_{p} = 2,433 + 4,694C_{\text{орг}} (4.3); r = 0,608; \delta_{I_{p}} = \pm 15,6% .
С увеличением количества растительных остатков в грунте также увеличивается влажность на границах текучести W_{L} и раскатывания W_{\text{р}} . Абсолютные значения влажности на границах пластичности и значение числа пластичности зависят как от степени разложения органического вещества, так и от состава минерального скелета грунтов. Примесь неразложившихся растительных остатков, как правило, уменьшает число пластичности и при количествах остатков 10% (для супесей), 25% (для суглинков), 45 — 50% (для глин) грунт теряет пластичность. При добавлении разложившегося органического вещества в глину число пластичности меняется мало. Закономерности изменения пластичности для некоторых глинистых грунтов с примесью растительных остатков иллюстрируются экспериментальными данными, приведенными в табл. 4.1.
Зависимость характеристик пластичности глинистых грунтов от содержания органического вещества
| Характеристика составляющих минеральной части обр-ца и органических добавок | Пластичность, % | |||||||
| Наименование грунта | Частиц < 0,005 мм, % | Гумус, % | Наименование включений | Степень разлож. в % | Кол-во, % | W_{L} | W_{\text{р}} | I_{p} |
| 1. Глинистый ил | 61 | 2,47 | 0 | 74 64 | 33 29 | 41 35 <*> | ||
| 2. -«-» | «» | «» | Растительные остатки | 10 | 82,8 | 51,2 | 31,6 | |
| 3. -«-» | «» | «» | «» | 25 | 117,2 | 88,2 | 29 | |
| 4. -«-» | «» | «» | «» | 40 | 161 | 154,6 | 6,4 | |
| 5. -«-» | «» | «» | «» | 60 | 215 | - | - | |
| 6. -«-» | «» | «» | Торф низинный | 45 | 40 | 110,6 | 77,3 | 32,7 |
| 7. -«-» | «» | «» | «» | «» | 60 | 123,8 | 93,5 | 30,3 |
| 8. Глинистый ил | 60 | 3,99 | «» | «» | - | 53,5 | 30,6 | 22,9 |
| 9. -«-» | «» | «» | «» | «» | 25 | 101,5 | 77,6 | 23,9 |
| 10. -«-» | «» | «» | «» | «» | 40 | 112,2 | 88,7 | 23,5 |
| 11. Глинистый ил | 40 | 9,1 | «» | «» | - | 120 | 51 | 69 |
| 12. -«-» | «» | «» | «» | «» | 40 | 138 | 118 | 20 |
| 13. Суглинок | 20,5 | 1,48 | «» | «» | 40 | 30 | 15 | 15 |
| 14. -«-» | «» | «» | Растительные остатки | - | 5 | 42 | 29 | 13 |
| 15. -«-» | «» | «» | «» | - | 8 | 50 | 33 | 17 |
| 16. -«-» | «» | «» | «» | «» | 10 | 51 | 36 | 15 |
| 17. -«-» | «» | «» | «» | - | 25 | 66 | - | - |
| 18. -«-» | «» | «» | «» | - | 40 | 94 | - | - |
| 19. -«-» | «» | «» | «» | - | 60 | 116 | - | - |
| 20. Супесь | «» | «» | «» | - | - | 25,7 | 22,5 | 3,2 |
| 21. -«-» | «» | «» | «» | - | 10 | 44 | 44 | 0 |
| 22. -«-» | - | - | - | 25 | 65 | - | - | |
<*> Грунт при некотором подсушивании во времени изменил свои пластические свойства.
Для гумусированных аллювиальных пойменных отложений, отложений стариц, озер и реликтовых прудов, как правило, не наблюдается прямой зависимости между количеством глинистых частиц и количеством гумуса. Наблюдается определенная зависимость между номенклатурным видом грунта (супесь, суглинок, глина) и количеством органики.
В гумусированных грунтах выделены виды: супеси с числом пластичности 3 — 5% и содержанием гумуса от долей процентов до 3%; суглинки с числом пластичности 11 — 17% и содержанием гумуса 1 — 7%; глины с числом пластичности от 21 до 75% и количеством гумуса от 3 — 16%.
Как правило, влажность и плотность этих грунтов изменяется пропорционально увеличению содержания органического вещества. Плотность и плотность частиц глинистых гумусированных грунтов малой степени литификации уменьшаются по экспоненциальным уравнениям типа:
в котором для плотности частиц \rho_{s} коэффициенты равны:
K_{1} = 2,32;K_{2} = 0,63;K_{3} = - 0,184 .
Для совокупности пылевато-глинистых гумусированных грунтов, содержащих от 2 до 18% гумуса, зависимость между коэффициентом пористости и количеством органики может быть описана уравнением прямой: e_{0} = 0,838 + 0,174C_{\text{орг}} (4.5). Коэффициент корреляции r между e_{0} и C_{\text{орг}} равен 0,73. Установленная зависимость (4.5) действительна для грунтов, имеющих коэффициент пористости от 1,1 до 4,0.
Коэффициент пористости с коэффициентом уплотнения a этих грунтов связан степенной зависимостью:
a0,025 - 0,1\text{МПа} = 0,137 + 0,116^{0,472e_{0}} (4.6); r = 0,85;
\delta_{a} = \pm 0,0118\text{МПа}^{- 1} .
Степенной функцией описывается зависимость между модулем деформации и количеством гумуса.
На основе корреляционного анализа выявлены средние величины характеристик пластичности, плотности, сжимаемости и прочности (C) для глинистых грунтов с содержанием гумуса от 2 до 16% (табл. 4.2). Эти характеристики могут быть использованы в начальной стадии проектирования для оценки глинистых гумусированных грунтов малой степени литификации.
гумусированных пылевато-глинистых грунтов
4.5. При проектировании оснований и оценке строительных свойств гумусированных и заторфованных грунтов малой степени литификации рекомендуется учитывать, что: а) коэффициент пористости от давления (компрессионная зависимость) изменяется по экспоненциальному закону типа:
e_{\text{н}} = e_{\text{к}} + bexp(a\sigma) ,
где e_{\text{к}} , b и a — параметры уравнения, \sigma — давление, МПа. Параметры уравнения зависят от номенклатурного вида грунта, от плотности грунта и количества органики; б) фильтрация практически подчиняется закону Дарси, начальный градиент изменяется для различных образцов в пределах 1 — 1,5. Коэффициент фильтрации существенно изменяется при уплотнении грунта под нагрузкой. Зависимости между коэффициентами пористости и фильтрации для грунтов одного состава описываются экспонентами типа
С увеличением количества гумуса коэффициент фильтрации уменьшается. Механические включения растительных остатков в глинистых грунтах увеличивают коэффициент фильтрации.
4.6. Для расчета времени консолидации грунта под нагрузкой необходимо знать коэффициент консолидации C_{v} . Коэффициент фильтрационной консолидации C_{v} зависит от состава грунта, от коэффициента пористости. Для пылевато-глинистых гумусированных грунтов зависимости коэффициента фильтрационной консолидации от коэффициента пористости описываются экспоненциальными уравнениями типа
Определять коэффициенты консолидации рекомендуется при нагрузках на образец, равных проектным. Рекомендуется при предпостроечной консолидации грунта для сокращения сроков его уплотнения применять перегрузку грунта, т.е. давать нагрузки больше предполагаемых проектных.
4.7. Рекомендуется для систематизации материалов исследования строительных свойств, грунтов малой степени литификации с содержанием органических веществ и для ориентировочной оценки их на первой стадии проектирования использовать схему строительной классификации грунтов, приведенную в табл. 4.3 а, б, в. В таблице представлены: группы грунтов по степени литификации, пылевато-глинистые грунты предельно малой (скрыто-текучая консистенция) и малой степени литификации (пластичная консистенция). Генетические типы отложений: континентальные (аллювиальные, болотные, озерные); лагунные, морские. Подклассы:
I. Пылевато-глинистые гумусированные грунты;
II. Пылевато-глинистые грунты с примесью растительных остатков;
III. Пылевато-глинистые заторфованные грунты.
Схема строительной классификации глинистых гумусированных и заторфованных грунтов предельно малой и малой степени литификации
| Подкласс II | Пылевато-глинистые грунты с примесью растительных остатков | |||||
| Виды | Супесь и ил супесчаный | Суглинок и ил суглинистый | Глина и ил глинистый | |||
| Количество растительных остатков I_{\text{от}} , доли ед. | 0,10 | 0,05 | 0,08 | 0,10 | 0,10 | |
| Степень разложения органического вещества D_{pd} , % | растительные | остатки | 15 | растительные остатки | ||
| Количество гумуса, доли ед. | 0,01 | 0,015 | 0,015 | 0,015 | 0,025 | |
| Полная влагоемкость W_{\text{в}} , % | 40 | 48 | 53 | 46 | 82 | |
| Характеристики скелета: | W_{L} , % | 42 | 50 | 51 | 83 | |
| W_{\text{р}} , % | 29 | 33 | 36 | 51 | ||
| \rho_{s} , г/см3 | 2,47 | 2,47 | 2,47 | 2,50 | ||
| Характеристики плотности: | ||||||
| W, % | 44 | 52 | 45 | 81 | ||
| \rho , г/см3 | 1,61 | 1,63 | 1,68 | 1,48 | ||
| \rho_{d} , г/см3 | 1,12 | 1,07 | 1,16 | 0,82 | ||
| Число пластичности I_{p} , % | 13 | 17 | 15 | 32 | ||
| Показатель текучести I_{L} | < 1,25 | < 1,15 | < 0,50 | 0,85 | ||
| Коэффициент пористости e | 1,15 — 1,0 | 1,40 — 1,20 | 1,060 | 2,050 | ||
| Структурная связность 1 - \beta | 0,56 | 0,33 | 0,12 | 0,18 | ||
| Модуль деформации E, МПа | 16 | 19 | ||||
| Коэффициент фильтрации K_{\text{ф}} = 1 \times 10^{- 6} , см/с | 18 — 1,8 | 7 — 2,6 | ||||
| Коэффициент консолидации C_{v}1 \times 10^{4} , см2/год | 15 — 4 <*> | 7,2 — 2,5 <*> | ||||
| Сцепление C, МПа | 0,019 | 0,014 | ||||
| Угол внутреннего трения \phi , град | 12 | 0 | ||||
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булычев Б.Г. Теория газонасыщенных грунтов. Стройвоенмориздат, М., 1948.
2. Инструкция по определению структурной связности пластичных глинистых грунтов. Министерство строительства предприятий машиностроения, 1950.
3. Рекомендации по методике испытаний сильносжимаемых грунтов в основаниях нефтепромысловых резервуаров. М., НИИОСП, 1987.
4. Тейлор Д.В. Основы механики грунтов (перев. с англ.). Госстройиздат, 1960.