РАЗДЕЛ 2.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВАХ
2.1. Деформации лессовых пород в зоне осушения подземных сооружений
2.1.1. Методика исследований
Задачи повышения геотехнической устойчивости массивов в условиях повышенного антропогенного воздействия с применением подземных сооружений исследованы на характерном примере лессовых и лессовидных грунтов в районе г. Днепропетровска [15, 16].
Основным фактором, дестабилизирующим геотехногенную устойчивость городских территорий, являются грунтовые воды. Поэтому, применение подземных сооружений для повышения их устойчивости, в первую очередь, предусматривает дренажное понижение уровней грунтовых вод [17, 18, 19]. Известно, что этот процесс сопровождается перераспределением напряжений в минеральном скелете горных пород, что влечет за собой дополнительные, в т.ч. и опасные, деформации поверхностных сооружений.
Ниже представлены результаты экспериментальных исследований напряжений и деформаций в лессовых породах в зависимости от режима грунтовых вод. Идея исследований состоит в осуществлении управляемого воздействия на режимы грунтовых вод.
Существует две точки зрения о механизме динамики напряжений при изменении уровня грунтовых вод (УГВ) [20, 21, 22].
Н.М.Герсевановым и Д.Е.Польшиным показано (1948г.), что при понижении УГВ в порах мелкодисперсных грунтов, как в капиллярах, будет удерживаться вода, которая получила название подвешенной. Вода, удерживаемая менисками, испытывает растягивающие напряжения, а скелет грунта при этом несет на себе в плоскости менисков нагрузку, равную произведению высоты столба капиллярной воды на ее удельный вес. Эта нагрузка названа капиллярным давлением. Каждый метр понижения свободного уровня воды (при неизменной поверхности менисков) создает дополнительную нагрузку на грунтовый скелет, равную 10 кПа. Дополнительная нагрузка может вызвать уплотнение основания и соответствующую осадку фундамента. Таким образом, осадка зависит от высоты столба капиллярной воды и от сжимаемости горной породы.
Как показывают наблюдения, в лессовых грунтах естественной структуры капиллярное поднятие обычно не превышает 1,0 м. Однако, при последующем понижении УГВ уровень менисков может сохраниться или только частично понизиться благодаря поверхностному натяжению менисков в капиллярах. Высота столба подвешенной воды зависит от поперечного размера капилляров в уровне менисков.
Другую точку зрения на причины возможных осадок сооружений, вызванных понижением УГВ, высказали в свое время К.Терцаги, Р.Пек и другие исследователи (1958 г.). Они считают, что в результате понижения уровня воды эффективная нагрузка на грунт возрастает на величину, равную разнице между весом осушенного грунта (скелет плюс вода) и взвешенным весом скелета всей массы грунта, расположенного между первоначальным и пониженным зеркалом воды. Увеличение эффективного бытового давления вызывает дополнительное сжатие грунта и осадку фундамента, которая приблизительно, по мнению авторов, пропорциональна понижению статического уровня в данной точке. При известном понижении уровня воды осадка, естественно, зависит от сжимаемости грунта.
Исходя из приведенных выше соображений, в работе принята методика испытаний сжимаемости лессовых грунтов, которая, с одной стороны, моделирует изменение напряженного состояния основания согласно обеим гипотезам, и, с другой стороны, позволяет получить данные для расчета осадок фундаментов как при указанных, так и при других возможных схемах уплотнения основания.
Эта методика испытаний заключается в следующем: образцы лессовых грунтов природной структуры и влажности, отобранные выше уровня грунтовых вод, точнее, выше уровня капиллярного поднятия, и характеризующие толщу основания в зоне водопонижения, помещаются в компрессионные приборы и загружаются постепенно полным давлением (бытовым плюс дополнительным от сооружения) для соответствующих глубин. Производится замачивание образцов и определение относительной просадочности. Затем образцы частично разгружаются с учетом взвешивающего давления воды в полностью замоченном грунте. После этого образцы догружаются давлением, соответствующим удельному весу грунтов после осуществления водопонижения рис. 2.1,а.
Поскольку глубина понижения УГВ и дополнительное давление на одних и тех же отметках могут быть различными, при проведении настоящих исследований величины разгрузки образцов после их просадки и последующей догрузки принимались в различных интервалах. Для сравнения часть опытов была проведена без разгрузки рис.2.1,б.
Рис. 2.1. Методики испытаний на сжимаемость:
а - основная (с разгрузкой); б - сокращенная (без разгрузки); коэффициенты пористости: - начальный (перед замачиванием); - после замачивания; - после разгрузки; - после догрузки; давления: - при просадке;
- при разгрузке; - конечное.
Были проведены пробные опыты на вакуумирование и свободный отток воды из образцов после испытаний на просадочность. Эти опыты показали, что, при вакуумировании и свободном оттоке воды из водонасыщенного грунта его остаточное увлажнение не изменяется.
Для исследования изменения прочностных свойств грунтов при изменении уровня грунтовых вод были проведены испытания образцов на прочность в срезных приборах при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии, в том числе после просадки, по схеме консолидированно-недренированного (консолидация от вертикальной нагрузки и быстрый срез) и неконсолидированно-недренированного сдвига (быстрый срез непосредственно после передачи вертикальной нагрузки). Эти опыты моделируют прочностные свойства лессовых грунтов при их замачивании в различных условиях уплотнения.
2.1.2. Физические свойства исследуемых грунтов
Сжимаемая (активная) толща основания сооружений в пределах экспериментального участка оползневого склона