Просадки грунтов при подъеме уровня грунтовых вод

Застройка территорий, сложенных просадочными лессовыми, а также глинистыми грунтами, приводит к неизбежному повышению их влажности и подъему уровня грунтовых вод. Повышение влажности грунтов и подъем уровня грунтовых вод вызываются нарушением естественных условий стока поверхностных вод за счет застройки территорий, устройства планировочных насыпей, засыпки оврагов и др. понижений; изменением условий аэрации при экранировании территорий; утечкой производственных вод; созданием новых водохранилищ и др.

Установившаяся в процессе эксплуатации застроенных территорий влажность лессовых грунтов изменяется по глубине и определяется геологическим строением толщи, фильтрационной и водоудерживающей способностью отдельных литологических слоев грунта.

Повышение влажности лессовых грунтов при застройке территорий приводит к медленному снижению прочности грунтов за счет размягчения связывающего частицы лессового грунта природного цемента и повышению их сжимаемости. В результате этого нарушается установившееся природное равновесие между напряженным состоянием грунтов и их сжимаемостью. Повышение сжимаемости оказывается равносильным повышению нагрузки на грунт и может привести к дополнительной осадке грунта, названной М. Н. Гольдштейном  замедленной просадкой. Это является одной из главных причин часто наблюдающегося длительного протекания осадок фундаментов на лессовых грунтах или же появления дополнительных осадок при отсутствии источников замачивания.

Изложенные положения подтверждаются приведенными данными наблюдений за просадками глубинных марок, установленных под фундаментами и на окружающей территории сборочного корпуса Запорожского трансформаторного завода (ЗТЗ) после того, как за счет подъема уровня грунтовых вод просадки поверхности грунта и фундаментов составили 35Q— 400 мм. За 6,5 лет наблюдений уровень грунтовых вод и зона капиллярного подъема повысились на 1,2—1,5 м. Просадки поверхности грунта на открытой территории в точке, расположенной на расстоянии 20 м от корпуса, за этот же период составили 56 мм, а фундаментов 68—110 мм. Причем происходили они в основном в пределах глубины 21—16 м, т. е. высоты подъема уровня грунтовых вод и зоны капиллярного повышения влажности. Величина просадок грунтов в пределах высоты подъема уровня грунтовых вод и зоны капиллярного повышения влажности под фундаментами составила 43—66 мм, а на открытой территории — 36 мм.

Наряду с этим в слоях грунта на глубине 6—18 м происходили замедленные просадки при незначительном повышении влажности грунтов. На открытой территории в пределах этой глубины замедления просадка составила 20 мм при повышении влажности грунта на отдельных горизонтах всего лишь на 0,01. Под корпусом цеха влажность в нижних слоях повысилась на 0,02—0,03 и соответственно замедленная просадка составила 19— 38 мм. Интенсивность развития замедленной просадки весьма незначительная и обычно составляет 3—6 мм в год.
Степень неравномерности развития просадок грунтов при подъеме уровня грунтовых вод зависит в основном от равномерности его повышения. В рассмотренном случае при изменении высоты подъема уровня грунтовых вод от 1,2 до 1,5 м просадки грунтов в пределах корпуса длиной 350 м изменялись от 68 до 110 мм.

Описанные выше, а также многие другие исследования показывают, что степень неравномерности просадок грунтов при равномерном подъеме уровня грунтовых вод составляет всего лишь до 1,5—2 мм на 1 пог. м и в 20—40 раз меньше, чем при замачивании просадочных грунтов сверху, когда она может доходить до 50—70 мм на 1 пог. м.

При местном куполообразном подъеме уровня грунтовых вод степень неравномерности развития просадок поверхности грунта резко возрастает. Выполненные специальные исследования на ЗТЗ по куполообразному подъему уровня грунтовых вод на площади размером в плане 20X30 м путем замачивания грунта снизу через скважины, расположенные по сетке 4,5x5 м, показали, что в этом случае кривая просадки поверхности грунта имеет вид, аналогичный кривой при замачивании сверху и также может быть описана уравнением косинусоиды. В данном случае при подъеме уровня грунтовых вод на высоту 7,5 м степень неравномерности просадки составила до 5 мм на 1 пог. м, причем просадки грунтов происходили в основном в верхнем слое, залегающем на глубине 11,5—13 м.

Опыты показывают, что просадки наблюдаются в тех случаях, когда подъем уровня грунтовых вод и зоны капиллярного повышения происходит в пределах слоев, обладающих просадочными свойствами. В частности, несмотря на то что уровень грунтовых вод с 1938 г. по 1958 г. в Никополе поднялся на 5,2—5,4 м, просадки грунта отсутствовали, так как нижние слои лессов не обладают просадочными свойствами. После 1958 г. подъем уровня грунтовых вод и зоны капиллярного повышения происходит в пределах просадочных грунтов, следствием чего и являются постоянно увеличивающиеся просадки зданий, сооружений и всей территории завода.

Интенсивность развития просадок грунта от собственного веса при подъеме уровня грунтовых вод определяется просадочностью нижних слоев грунта и скоростью подъема уровня грунтовых вод, а полная величина — их относительной просадочностью. В соответствии с этим скорость развития просадок изменяется в широких пределах — от нескольких мм до 6—10 см в год (по примеру Южнотрубного завода — ЮТЗ).

Сопоставление фактических величин сжатия отдельных слоев грунта с расчетными, полученными на основе компрессионных испытаний, показывает, что фактические величины просадок оказываются значительно большими расчетных. Так, например, нижние слои лессов на территории ЮТЗ и суглинков на ЗТЗ  по результатам компрессионных испытаний оценивались как практически не просадочные. В то же время просадка территории за счет их сжатия составила на ЮТЗ на 1969 г. 10— 60 см, а ЗТЗ до 50 см. Значительные расхождения расчетных просадок с фактическими, по-видимому, вызваны условностью методики компрессионных испытаний на просадочность.

Неравномерность развития просадок грунтов при местном куполообразном подъеме уровня грунтовых вод, также как и при замачивании сверху, обусловливается; неравномерным подъемом уровня грунтовых вод и взаимодействием увлажненного и неувлажненного массивов грунта. В результате этого взаимодействия за счет сил трения и сцепления происходит зависание увлажненного грунта, расположенного у краев области подъема уровня грунтовых вод, перераспределение вертикальных давлений от собственного веса грунтами соответственно снижение возможных величин просадок в пределах наиболее увлажненной и повышение в менее увлажненной частях массива.