Физические свойства:
Гранулометрический и минералогический состав
Гранулометрический состав просадочных лессовых грунтов характеризуется большим содержанием пылеватых частиц размером 0,05…0,005 мм (более 50 %) и значительно меньшим содержанием глинистых частиц размером менее 0,005 мм (не более 10-15 %). Глинистые частицы чаще представлены, в основном, такими минералами как каолинит и гидрослюда, которые способствуют развитию просадки. Лессовые грунты, а также лессовидные суглинки содержат большое количество карбонатов, которые бывают видны невооруженным глазом в виде игольчатых включений при осмотре грунта.
Плотность частиц грунта
Плотность частиц лессовых грунтов в зависимости от их минералогического состава колеблется в пределах 2,6…2,75 г/см3.
Плотность лессовых грунтов зависит от минерального состава, структуры и содержания в них воды и колеблется от 1,33 до 2,0 г/см3. Для них характерна также низкая плотность скелета (преимущественно менее 1,5 г/см3).
Пористость
Для просадочных грунтов характерна высокая пористость и наличие макропор, которые достигают 1-3 мм в диаметре и различимы невооруженным глазом. Макропоры имеют форму извилистых вертикальных канальцев. Обычно пористость лессовых грунтов колеблется от 40 до 60%. Коэффициент пористости просадочных лессовидных суглинков бывает более 0,9. После просадки пористость уменьшается.
Природная влажность
Природная влажность лессовых грунтов обычно невелика и колеблется в пределах 6…11%, что, как правило, менее границы раскатывания. Для лессовидных суглинков природная влажность на 5 - 7 % выше по сравнению с лессами. Степень просадочности грунта существенно зависит от естественной влажности: чем меньше природная влажность, тем выше просадочные свойства. Влажность верхних слоев лессовых толщ на глубине до 3 м существенно меняется в зависимости от времени года и атмосферных осадков, а на глубинах ниже 3 м изменение влажности обычно не зависит от этих факторов и остается постоянной, если нет постоянных источников обводнения грунтового массива.
Пластичность лессовых грунтов
Согласно многим исследованиям, просадочные лессовидные суглинки обладают более низкими значениями пределов и числа пластичности, чем непросадочные. Значение влажность на границе раскатывания Wp для лессов находится в пределах 12 - 18%, а для лессовидных суглинков - 14 - 26%. Влажность на границе текучести WL для лессов изменяется в пределах от 22 до 24%, а для лессовидных суглинков - 25 - 37%. Естественная влажность просадочных грунтов, обычно, меньше влажности на границе раскатывания, и такие грунты, как правило, обладают твердой, реже полутвердой консистенцией.
Особенности структуры просадочных грунтов.
Для просадочных грунтов характерно наличие большого количества макропор в виде трубчатых канальцев d = 0.1 … 4 мм, имеющих преимущественно вертикальное положение.
Такая система находится в равновесии и превосходно воспринимает статическую нагрузку в 0,2…0,3 МПа, подобно пространственной конструкции.
В этой конструкции роль узлов выполняют структурные связи. В просадочном грунте присутствуют как кристаллизационные, так и водно-коллоидные связи. Кристаллизационные связи чаще всего состоят из кальцита - СаСО3, который растворим в воде. Водноколлоидные связи возникают в результате действия электромолекулярных сил между глинистыми минеральными частицами и пленками воды.
Кроме того для просадочных лессовых грунтов обычно характерны: засоленность; светлая окраска (от палевого до охристого цвета); способность в маловлажном состоянии держать вертикальные откосы; цикличность строения толщ.
Механические свойства:
Сжимаемость
При расчете сооружений необходимо знать характеристики деформируемости грунтов при естественной влажности, при замачивании и после замачивания. Модуль общей деформации просадочных грунтов, как и непросадочных, определяют в лаборатории при компрессионных испытаниях и в полевых условиях штамповыми испытаниями.
Лессовые грунты при природной влажности и ненарушенной структуре обладают высокой прочностью и малой деформируемостью. Компрессионные свойства лессовых грунтов естественной влажности качественно не отличаются от обычных малосжимаемых грунтов. При этом у них значения коэффициента сжимаемости и модуля общей деформации при изменении давления до 0,4 - 0,5 МПа мало зависит от давления (является постоянным в достаточно широком диапазоне давлений).При этом значения модуля деформации, полученные при компрессионных испытаниях и при испытаниях штампами в полевых условиях, могут значительно (в несколько раз) различаться между собой.
Структурные связи лессовых грунтов, обусловленные водно-коллоидными и цементационными связями, маловодостойки, поэтому эти грунты относятся к структурно-неустойчивым. При увеличении влажности в просадочном грунте происходят следующие процессы: при поступлении воды в грунт кальцит растворяется, а глинистые частицы увлажняются. При этом пленки воды, окружающие глинистые частицы, утолщаются и оказывают расклинивающее действие на частицы. В результате этого действия происходит разрушение макроструктуры грунта, частицы заполняют поры, грунт превращается в обычный суглинок.
Однако, прочность грунта вследствие разрушения структуры резко снижается, и он приобретает свойство сильно сжиматься под уплотняющей нагрузкой. Поэтому при постоянном значении уплотняющего давления под влиянием увлажнения резко скачкообразно изменяется коэффициент пористости, что указывает на коренное изменение структуры.
Водопроницаемость.
Лессы обладают высокой для глинистых грунтов водопроницаемостью и резкой анизотропией по этому свойству. Наличие в таких грунтах макропор и вертикальных цилиндрических пустот приводит к тому, что водопроницаемость в вертикальном направлении больше, чем в горизонтальном. Коэффициент фильтрации в вертикальном направлении измеряется несколькими м/сут., в горизонтальном - десятыми или сотыми м/сут. Это приводит к тому, что при инфильтрации воды с поверхности образуются купола грунтовых вод, медленно растекающиеся в стороны. В пределах городов, где имеются многочисленные источники замачивания (утечки из коммуникаций, интенсивный полив водой скверов, садов, парков) в толще лессовых грунтов формируется техногенный горизонт грунтовых вод быстро повышающий свой уровень (до 0,5 - 1 м в год), что способствует интенсивному развитию просадочных явлений. В районах, где лессы обогащены гипсом, формирующиеся грунтовые воды агрессивны по отношению к бетону на портланд-цементе.
Сопротивление сдвигу (прочностные характеристики).
Просадочные грунты в природном состоянии при достаточно низкой влажности имеют высокие показатели сопротивления сдвигу. Увеличение влажности значительно снижает эти показатели. При повышении влажности до полного водонасыщения сцепление снижается в 2 - 10 раз, а угол внутреннего трения в 1,05 - 1,2 раза. При исследовании прочностных свойств просадочных грунтов необходимо изучить прочностные характеристики для трех состояний грунта: для грунта природной влажности, для грунта в процессе проявления просадки и для грунта водонасыщенного. Для этого проводят испытания таких грунтов в приборах прямого одноплоскостного среза по следующим трем схемам:
- консолидировано-дренированный сдвиг (в условиях завершенной консолидации с предварительным уплотнением образцов) при природной влажности соответствует случаю отсутствия замачивания и просадки. Полученные характеристики используются для расчета оснований при природной влажности;
- консолидировано-дренированный сдвиг в условиях завершенной консолидации при полном водонасыщении грунта соответствует работе грунта после проявления просадки. Полученные характеристики используются для расчета оснований в случаях замачивания и допущения возможных величин просадки;
- неконсолидировано-недренированный сдвиг (в условиях незавершенной консолидации без предварительного уплотнения образцов) при полном водонасыщении грунта соответствует состоянию просадки грунта. Полученные характеристики используются для расчета оснований, сложенных просадочными грунтами, в процессе их замачивания и просадки.