Плывунные грунты

Плывунными грунтами или плывунами называют не род грунта, а его состояние по плотности и влажности. Мелкозернистые водонасыщенные грунты с жестким скелетом и рыхлым строением (мелкозернистые пески, супеси) способны под влиянием динамических воздействий приходить в движение вместе с водой, т.е. проявлять свойства вязкой жидкости. Такая подвижность в наибольшей степени проявляется при значительном содержании тонких пылеватых фракций и хотя бы самого ничтожного количества коллоидов.

В природном залегании такой мелкозернистый грунт, в связи с черезвычайно малой водоотдачей, представляет собой по внешним признакам плотную массу и, при условии сохранения неизменности его структуры, может воспринимать внешнюю нагрузку. Однако поставленный на поверхность плывуна тяжелый предмет (например, лом) погружается в него под действием собственного веса, как говорят, плывун “засасывает” его.

Если по дну котлована, сложенного плывуном, ударить тяжелым предметом (например трамбовкой), то от места удара в стороны начнут распространяться волны, а если передать многократно-приложенную (вибрирующую) нагрузку, то будет наблюдаться дрожание поверхности, а сам ударяющий предмет затонет. В практике строительства наблюдались случаи, когда прочные по внешним признакам грунты растекались на большие пространства, сметая все на своем пути. Встречалось немало случаев разжижения песка в основаниях сооружений. Наиболее интересны следующие примеры.

1. В Голандии с 1881 по 1946 г. зарегистрировано 230 случаев разжижения песка на побережье, вызвавшего растекание в отдельных случаях огромных объемов – до 3 млн м³. Обычно катастрофы наступали при отливе воды после особенно высоких приливов.

2. В США в 1938 г. произошел сдвиг глинистого грунта в основании намывной плотины Форт-Пэк. Этот сдвиг привел к разжижению части тела плотины. В движение пришла масса песка объемом около 3,8 млн м³, расплывшаяся в течение 10 мин.

3. В 1936 г. в порту Канданакша в течение 2 мин разрушилась строящаяся набережная, разрушение произошло во время засыпки грунта за ограждающие ряжи для образования портовой территории. Грунт при этом обратился как бы в жидкое тело и разлился на десятки метров, и выстроенные ряжи затонули.

4. В 1950 г. в г.Челябинске при погружении водоприемного опускного колодца в грунт, представляющий собой элювиальную супесь диоритов, оболочки колодца внезапно затонули в собственном основании. Причиной послужило ведение разработки грунта с открытым водоотливом, вызвавшее движение грунта за стенками оболочки и ослабление сил трения по ее поверхности.

Существуют различные толкования как причин, вызывающих разжижение, так и процессов, происходящих в грунтах в момент потери ими устойчивости. Следует считать несомненным, что в любых случаях в момент разжижения утрачивается трение между отдельными частицами грунта и разрушается его структура, в связи с чем разобщенные частицы грунта, взвешенные в воде, приобретают способность течь наподобие вязкой жидкости. Разумеется, эти явления никогда не происходят самопроизвольно, а лишь под влиянием силовых воздействий. Статическая нагрузка не может уменьшить силы трения между частицами, напротив, она способствует их увеличению. Вызвать разобщение частиц, их взвешивание в воде, может лишь нагрузка динамическая, в том числе и гидродинамическая.

Сущность плывунов и плывунных явлений объяснил проф. Н.М.Герсеванов: устойчивость нагруженного внешней нагрузкой водонасыщенного песка в спокойном состоянии обусловлена наличием трения между частицами грунта, под действием внешних сил. Согласно этому, например, резиновый мешок с песком легко деформируется, пока в порах песка находится воздух; если воздух выкачать, то мешок уподобится камню, т.к. атмосферное воздействие мобилизует трение между частицами песка, препятствующее их взаимному перемещению.

Для определения плотности структуры зернистых грунтов рассмотрим пример разной укладки шариков одинаковых размеров. Встряхивание шариков, сложенных неустойчиво, резко уменьшает пористость, и происходит их укладка в устойчивую структуру. Такое внезапное уменьшение пористости при встряхивании происходит лишь в случае, если объем пор может беспрепятственно уменьшиться. Если же шарики имеют очень малые размеры и поры заполнены водой, то в момент встряхивания вода выдавиться не успевает, контакты разобщаются, шарики оказываются взвешенными в воде, т.е. система обращается в суспензию (рис.2.37).

Рис.2.37. Схемы грунтовых структур (1 – зерно, 2 – вода):

а – неустойчивая, n = 48%; б – устойчивая, n = 26%; в – неустойчивая, в момент нарушения контактов между зернами, n = 48%

Если при этом система находилась под нагрузкой, то все давление полностью передается воде, под влиянием напора воды начинается интенсивное ее движение во всех направлениях; поток воды нарушит структуру близлежащих масс и вся система, при отсутствии ограничения движения воды, растечется на большое расстояние от источника разрушения.

Природные системы (грунты) существенно отличаются от скопления шариков одинаковых размеров, однако сущность происходящих явлений остается той же. Это можно подтвердить следующим примером. Если на поверхность мелкозернистого рыхлосложенного песка в сосуде осторожно поставить груз, то он будет стоять, не погружаясь в песок; сохранение устойчивой структуры при этом обусловлено силами трения между песчинками. Если же вблизи гири с силой втолкнуть в песок нож, то груз затонет в образовавшейся суспензии, т.к. контакты между частицами разобщатся, а вода выдавиться из пор не успеет.

Как видно из приведенных рассуждений, в плывунное состояние наиболее легко могут приходить рыхлосложенные грунты, однако не следует забывать, что разрыхление может быть вызвано теми же причинами, которые вызывают разжижение, например восходящими токами воды или динамическим воздействием (встряхивание). Чем плотнее грунт, тем большее динамическое воздействие необходимо для перевода его в плывунное состояние.

В строительной практике явления разжижения вызываются чаще всего следующими причинами:

1) открытым водоотливом, связанным с развитием восходящих токов воды, большими величинами гидродинамических сил, взвешивающих частицы грунта и переводящих грунт в состояние суспензии (случай с опускным колодцем в Челябинске);

2) быстрым приложением нагрузки, вызывающим внезапное повышение напора в поровой воде, возникновение фильтрации, развитие гидродинамических сил и выдавливание грунта; такое явление при возведении фундаментов можно предотвратить устройством дренирующих подготовок под фундамент или ограждением его основания шпунтовым рядом;

3) действием ударной или вибрационной нагрузки на рыхлосложенный грунт основания; в этом случае целесообразно предварительно уплотнить грунт;

4) повышением уровня грунтовых вод, снимающим натяжение капиллярных менисков на поверхности грунта и оказывающим взвешивающее действие на частицы грунта и на фундамент сооружения; это явление тоже может быть предотвращено предварительным уплотнением грунта.