Грунтоведение

 

Метод пескования

 

 

 

Распутица. Бездорожье. Водители автомашин боятся съехать с асфальтовых и бетонных магистралей. На грунтовых глинистых дорогах буксуют машины. Пешеходы с трудом передвигаются по проселкам.

 

В истории известны даже сражения, проигранные из-за бездорожья. Вообще, большинство военачальников старались избегать крупных военных операций в периоды дождей и распутицы.

 

Вспомните, как трудно двигаться по полевой дороге в осенний дождливый день. На . ноги налипают куски и целые комья глины.

, Прилипание глин затрудняет не только передвижение транспорта и пешеходов, но и наносит серьезный ущерб работе землеройных ма: шин. На ковши и гусеницы экскаваторов, драглайнов, ножи бульдозеров налипают комья глины, значительно уменьшая их коэффициент полезного действия. Такое же налипание глинистых почв происходит при работе сельскохозяйственных машин. Все эти явления связаны с удивительной способносью глинистых и лёссовых грунтов при определенной влажности прилипать к различным поверхностям: металлическим, резиновым, кожаным и др.

 

Возникает вопрос: почему глина сильно прилипает, а песок нет?

Академик Е. М. Сергеев^ показал, что это явление начинается при влажности, близкой к пределу раскатывания (нижней границе пластичности). Дело в том, что, когда в грунтах имеется только связанная вода, прочно удерживаемая частицами, она не может взаимодействовать с внешними предметами.

 

Но вот влажность увеличивается, пленки влаги нарастают, п молекулярные связи образующейся рыхлосвязанной воды становятся слабей. Тогда периферические молекулы водных пленок не только взаимодействуют с поверхностью частиц, но и начинают реагировать с внешними предметами. Это обнаруживается при возникновении явления прилипания. Однако усиление этого процесса происходит только до определенного значения влажности. Когда толщина пленок становится значительной и формируется свободная вода, при достижении такой влажности прилипание начинает уменьшаться. Обычно липкость грунта оценивается по величине усилия, которое нужно приложить, чтобы оторвать предмет от грунта. Ее значение может достигать 5 Н на 1 см2. ^

 

Так, для отрыва комка глины от подошвы ботинка при его площади 10—12 см2 потребуется усилие 50—60 Н. Представьте себе, как трудно идти по дороге, непрерывно сбрасывая налипшую глину с подобным усилием. При этом чем больше вес человека, тем значительнее сила прилипания.

 

Разные глины липнут с различной силой. Так, каолинитовые глины прилипают быстрее, но сила, необходимая для их отрыва, меньше, чем для монтмориллонитовых глин. При прочих равных условиях липкость последних оказывается в два раза большей. Прилипание зависит также от количества тонких частиц, содержащихся в грунте. Чем их больше, тем оно выше. Влияют на липкость и химические особенности грунта (содержание обменных катионов, водорастворимых солей и др.)..

Опыт показывает, что глины больше прилипают к деревянным предметам, а торфянистые и супесчаные грунты — к металлам. Борьба с липкостью является важной задачей, стоящей перед учеными и инженерами и сегодня. Ее разнообразные решения позволяют повысить производительность землеройных механизмов, улучшить проходимость грунтовых дорог.

Как же уменьшить липкость ,глин? Эта задача не из легких. Прошлые поколения строителей решали ее просто. Устраивали на глинистых дорогах деревянные настилы, покрывали плитами, просто мостили или забрасывали щебнем.

 

В начале нашего века грунтоведы В. В. Охотин, Н. Н. Иванов и другие разработали метод пескования. Он заключался в том, что глина перемешивалась с песком и теряла липкость. Был создан метод подбора «оптимальных» смесей. Благодаря ему повысилось качество получаемых искусственных глинисто-песчаных грунтов.

 

И сейчас пескование используется при строительстве грунтовых дорог. Однако этот простой прием улучшения дорог не решает проблемы, потому что транспорт быстро разрушает такие грунты.

 

В 20-х годах нашего столетия А. П. Земятченский, В. В. Охотин, М. Ф. Филатов предложили смешивать глинистые (и песчаные) грунты с известью. Она не только подсушивала глины и уменьшала липкость, но и значительно повышала прочность дорожного полотна. Сначала применяли гашеную, а позже молотую негашеную известь.

При ее внесении в грунт происходят сложные процессы кристаллизации окиси кальция. Впоследствии начинают образовываться новые минералы (карбонаты, гидросиликаты и др.). Прочность таких смесей достигает 0,7 МПа. В настоящее время этот метод используется для строительства сельских автодорог и аэродромов.

 

Следующий шаг в борьбе с липкостью и вязкостью глии был сделан, когда применили цементацию. В 1912 г. в России впервые употребили цемент для обработки дорожных грунтов. Введение цемента в глины не только уничтожает липкость и вязкость, но и значительно повышает их прочность (до 5 МПа). При этом цементом укрепляются не только глины, но и любые рыхлые грунты. Пески в смеси с цементом теряют свою рыхлость и превращаются в прочную породу типа песчаника.

Сейчас цементация — один из наиболее распространенных методов укрепления грунтов. Более 3500 км дорог СССР цементно-грун- товые.

 

Применяется также внесение в грунты других веществ: дегтя, битума и гидрофобных (отталкивающих воду) веществ.

Для борьбы с прилипанием глины к землеройным механизмам (экскаваторы, бульдозеры и др.) разработан метод приложения к поверхности режущих инструментов электрического потенциала. В результате глинистые частицы, покрытые пленочной влагой, отталкиваются, а не прилипают.

 

Еще в XVIII в. жителям района р. Рейн был хорошо знаком особый светло-палевый грунт, выходящий на поверхности террасовых уступов речной долины.

 

Местное население знало, что эти грунты в сухом состоянии обладают достаточной прочностью, чтобы держаться в вертикальных откосах. Но если на них попадала вода, то картина мгновенно изменялась. В течение 20—40 с возникало катастрофическое разрушение. Казалось, что грунт растворяется. По этой причине они были названы лёссами от немецкого слова «ldssen» — растворяться.

 

В XIX в. обнаружилось, что подобного вида грунты встречаются не только в Германии, но и во многих других странах. В Советском Союзе лёссы слагают толщи мощностью от нескольких до 100 м. Их можно встретить в самых различных уголках нашей Родины. Они есть в Белоруссии, Молдавии, на Украине, в Западной Сибири, Алтае и многих других районах страны. Особо значительные слои этих грунтов встречаются в Узбекистане, Таджикистане, на Северном Кавказе. Более 14 % территории Советского Союза покрыто лёссовым «одеялом».

 

Большие толщи этих грунтов найдены в КНР. Там они образуют массивы мощностью 100—200 м.

^ Этот интересный грунт имеет для человечества особую ценность. Именно на нем образовались самые плодородные почвы мира — черноземы.

Когда после Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране развернулись работы по строительству городов, промышленных предприятий, оросительных систем, в полной мере проявилось коварство лёссовых грунтов.

В конце 20-х годов был построен первенец оросительных систем Северного Кавказа — Мало-Кабардинский магистральный канал. Он должен был нести живительную влагу к полям Кабарды.

 

Когда торжественно разрезали ленточку и пустили в канал первую воду, все ликовали. Но прошло только несколько дней и произошли странные явления. По бокам канала стали появляться многочисленные трещины. По ним возникли крупные опускания поверхности. Они достигали 1,5 м и более. Трещины нарастали, а между ними появились небольшие террасообразные уступы . Такие же явления были зарегистрированы на каналах других оросительных систем, особенно в Средней Азии. Они получили название просадок.

 

Как правило, эти явления проявлялись на 3—4 день после пуска воды. Процесс захватывал участки протяженностью 500—600 м, а в некоторых случаях даже до 1,5 км. Оседание поверхности на отдельных участках достигало 2 м. Образовавшиеся трещины имели глубину от нескольких до 18 м.

 

Затем просадочные деформации при увлажнении лёссовых грунтов стали обнаруживаться при строительстве заводов, жилых зданий и других сооружений. Они также возникали в результате увлажнения либо дождевыми, либо водопроводными, либо техническими водами.

 

Загадочность лёссов началась уже с вопроса о пути и способах Их образования. Ученые уже более 160 лет спорят. Написаны сотйи трактатов, в которых доказывается, что лёссовые породы произошли или так, или эдак. Сейчас насчитывается 24 гипотезы их происхождения. Высказывались самые разные догадки. Одни считали,их образованиями, возникшими в результате привноса пыли ветром (эоловое происхождение), другие относили их к речным образованиям, третьи — к озерным и т. д. Были даже выдвинуты гипотезы о вулканическом и «космическом» генезисе лёсса.

 

В настоящее время больше всего сторонников представления о эоловом происхождении этих пород. Эолисты считают, что их основой послужила пыль, перенесенная ветром. Откуда ее столько взялось? На этот вопрос отвечают, что она явилась остатком материала, вынесенного древними материковыми ледниками. Нужно сказать, что эоловым путем и сейчас, буквально на наших глазах, происходит накопление пылеватых пород в районах «черных земель» (Северный Кавказ, Ставропольский край и т.д.).

Большую группу составляют также ученые, считающие, что лёссовые породы образовались путем привноса пылеватого материала водными потоками, возникшими при таянии ледников.

 

В настоящее время появляется все больше сторонников гипотезы, что эти породы сформировались в результате мерзлотных процессов. Во всяком случае, мерзлотные процессы сыграли главную роль в возникновении особых свойств лёссов.

Конечно, среди лёссовых пород имеются и такие, которые образовались за счет сноса мелких частиц вниз по склонам. Они перемещались и под действием силы тяжести, и потоками дождевых и талых вод.

 

Как же в действительности образовались лёссы? Пожалуй, в условиях континентов, имеющих разнообразный рельеф, климатические условия и геологическое строение, лёссовый покров может формироваться различными путями.

Давайте присмотримся к этому грунту поближе. Первое, что бросается в глаза, — это цвет. Лёссовые породы имеют окраску от темно-бурых до нежных, светло-палевых тонов. Второе, что привлекает внимание, — это видимые глазом крупные поры. Их назвали за необычную величину макропорами. Диаметр макропор достигает 2 мм* На 1 см2 поверхности лёсса можно насчитать от 2 до 30 макропор. Если их пристально рассмотреть, то можно увидеть, что это ветвящиеся каналы, часто покрытые изнутри известью или гумусовым веществом.

Форма этого типа пор свидетельствует, что они образовались в результате деятельности корневых систем травянистых растений* В них нередко сохраняются остатки корневых волосков. Было уста

новлено, что макропоры являются самыми устойчивыми элементами структуры лёссов.

Крупные поры в лёссах образуют также черви и иногда термиты.

Лёссовые породы облюбовали для себя землерои, поэтому в них нередко встречаются проделанные ими ходы — кротовины. Некоторые «прыткие» кроты прогрызают такие ходы до глубины 10—15 м, но большинство «нормальных» животных предпочитает квартировать в диапазоне 3—4 м. Иногда на 1 м2 стенки шурфа (колодца) встречается до 40 кротовин.

Читателю, наверно, неясно, почему все же лёссовые породы «растворяются» водой. Ученые внимательно изучили этот процесс. Удалось обнаружить с помощью скоростной микрокиносъемки, что в этих грунтах главную роль в движении воды играют не макропоры, а более мелкие поры диаметром крупнее 0,01 мм (активные поры). Кроме того, было установлено, что лёссовые породы состоят на 50— 96 % из пыли (вспомним, что это частицы размером от 0,05 до 0,002 мм).

Когда вода попадает в лабиринт активных пор, вокруг частиц образуются (а если они были ранее, то утолщаются) пленки влаги. Эти пленки, раздвигая частицы, уменьшают молекулярные силы, связывающие их. В результате образующиеся при разрушении структуры микроагрегаты и частицы перемещаются в крупные поры. Усиливает этот процесс выделение тепла (происходящее при разрушении структуры), которое вызывает расширение воздуха в порах грунта. В ходе этого процесса стенки их повреждаются. Одновременно протекают и некоторые другие процессы. Результат — стихийное разрушение первоначальной структуры и неизбежное при этом уплотнение грунта под собственным весом и давлением сооружений. Внешне это и воспринимается, как просадка.

Конечно, этот процесс более сложен, чем мы его описали, но общие его черты, надо полагать, стали понятны.

Отметим, что не всегда лёссовые породы обязательно просадоч- ны. Это свойство проявляется только при высокой активной пористости (больше 20 %), сравнительно малой влажности и специфической структуре грунта.

Просадки жилых зданий и промышленных сооружений были долгое время бичом строителей. Сейчас картина изменилась, мы научились безопасно строить на лёссах.

На степных равнинах встречаются часто впадинки, имеющие форму блюдец. За это совпадение их и назвали — «степные блюдца». Весной в таких образованиях долгое время держится вода, которая служит для водопоя скота ( 26). Глубина их достигает 1—2 м. Такие степные блюдца образовались в результате естественных просадок лёссов. В этом случае просадочные явления развиваются в течение многих десятков лет под действием просачивающейся из блюдца воды и собственного веса грунта.

                       

Это было удивительное ощущение. Мы стояли на строительном участке. Вдруг раздался приглушенный взрыв. Из десятков скважин вырвались фонтаны воды. Земля вздрогнула, и мы почувствовали, как она мягко опустилась под нашими ногами.

Строители осуществляли операцию по ликвидации просадочности лёссовой толщи. Ее автор И. М. Литвинов решил эту задачу на основании логических рассуждений. Он думал так: если насытить водой лёссы и затем их с силой встряхнуть, то они должны полностью уплотниться и стать неспособными к просадке.

Осуществляется это на практике довольно просто. На участке пробуривается сеть скважин. Потом в них накачивается вода. Затем в скважины опускаются небольшие заряды взрывчатых веществ, помещенные в водонепроницаемые мешочки. Для того чтобы не затронуть участки вне площади строительства, они отделяются от соседних массивов. Это делается «опиливанием» площадки циркулярной пилой. Оказалось, что этого вполне достаточно. Затем производится взрыв, и просадочности больше нет ( 27). Для борьбы с просадками был создан также целый ряд других методов.

В скважину опускается форсунка, при ее помощи разбрызгивается горючее, которое затем воспламеняется. Этот пылающий факел и обжигает грунты. Они спекаются, становятся твердыми и не только теряют просадочность, но и приобретают дополнительную значительную прочность. После этого порода напоминает кирпич не только по виду, но и по свойствам.

А вот другой метод, разработанный В. В. Аскалоновым. В лёссы погружают трубы (инъекторы), снабженные в нижней части отверстиями. Через них нагнетается водный раствор жидкого стекла. Там, где он пропитывает грунт, последний в результате химической реакции становится прочным и непросадочным. Таким методом спасли

Одесский оперный театр, просадочные деформации которого стали угрожать его существованию.

Кажется, что было бы проще принять меры от проникновения воды в лёссовые грунты. Но такие мероприятия обходятся дорого. Представьте себе: все водоводы нужно заключить в водонепроницаемые лотки, заасфальтировать участки вокруг зданий, сделать отводы ливневых вод и выполнить десятки других охранных мероприятий. Даже после этого нельзя гарантировать, что «зловредная» вода не найдет пути и не проникнет в лёссовые толщи, вызвав катастрофические последствия.

Если мощность лёссов невелика, то строители применяют простой метод ликвидации просадочности — трамбование. Краном на высоту до 4 м поднимается плита-трамбовка массой 2—4 т и сбрасывается на грунт. Под ее тяжелыми ударами, лёсс уплотняется, уменьшая активную пористость, становится непросадочным. Таким путем удается уплотнить слой мощностью не более 2 м, а этого часто недостаточно.

Созданы и другие методы борьбы с просадочностью лёссовых толщ. В настоящее время в целом удалось справиться с этим природным явлением.

Вы спросите, а как же прокладывать каналы в лёссовых толщах? В таких оросительных, судоходных, деривационных (подающих воду к гидроэлектростанциям) каналах вода свободно может проникать в стенки и дно, вызывая разрушительные просадки прилегающих участков. Решение этой сложной задачи в одних случаях достигается тем, что поток пропускается по бетонным или железобетонным лоткам, в других — стенки и дно одеваются защитными экранами, например полиэтиленовыми пленками.

Последний метод как будто очень хорош, но пластиковые пленки разрушаются лучами солнца, морозом и другими атмосферными агентами. Это требует, чтобы они защищались сверху от прямого контакта с воздухом. Поэтому над полиэтиленовой пленкой устраиваются специальные защитные слои, что увеличивает стоимость такого экрана. Да, вот еще одно неудобство — полиэтиленовые пленки

легко прорастаются травянистыми растениями. Поэтому необходимо йод пленкой уничтожить все их семена.

^ Кроме этих сравнительно дорогих методов борьбы с водой гидротехники применяют также уплотнение тяжелым трамбованием стенок и дна каналов. В малых каналах успешно используется глинизация. Она заключается в том, что в них сначала подается глинистая суспензия (вода с разведенной в ней массой глинистого материала), а после того, как она простоит в канале некоторое время, глинистые частицы проникают в поры грунтов, резко снижая их водопроницаемость.

Используется для этой цели также засоление грунтов в бортах и дне каналов. При этом методе вместо глинистой суспензии в них направляются водные растворы солей (чаще всего обычной поваренной соли), которые, проникая в грунты, оставляют в порах кристаллики солей, перекрывающие ход воде.

 

Так человек борется с потерями воды в каналах и связанными с ней просадочными явлениями.

 Красавец Ленинград, морской город. Казалось бы, в таком городе должны быть набережные, по которым гуляют жители, любуясь набегающими волнами. Но вот строили город около 300 лет, а он оказался в конечном счете повернутым к морю спиной. На побережье почти не возводились красивые дома, которыми славится Ленинград. Вместо них склады, пустыри. В чем же дело?

 

Оказывается, главную роль в непонятной застройке города сыграли грунты. Дело в том, что берега Финского залива сложены так называемыми слабыми грунтами — разжиженными илами. Только в конце 40-х годов нашего века город стал поворачиваться лицом к морю. На берегу Васильевского острова начали один за другим вырастать современные многоэтажные здания. Строители научились возводить тяжелые постройки на таких грунтах.

 

 

 Смотрите также:

 

Общенаучный метод экспериментирования. Эксперимент — это...

Ни задача — разработка научного аппарата и методов исследования систем управления независимо от их конкретной природы.

 

Укрепление грунтов. Силикатизация грунтов.

Особенно эффективен метод электросиликатизации для закрепления грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут.

 

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ - способы закрепления грунтов...

К химическим методам относятся цементация, электрохимическое и термическое закрепления грунтов, однорастворный и двухрастворный химические ...