4. Устройство фундаментов вблизи зданий, возведенных на биогенных грунтах
К биогенным грунтам относятся заторфованные грунты (песчаного, пылеватого и глинистого состава), торфы, сапропели (пресноводные илы). Эти грунты имеют весьма широкое распространение в районах северо-запада СССР. Генетически разновидности биогенных грунтов относятся к четвертичным отложениям озерного, аллювиального, озерно-болотного, болотного происхождения.
Торф состоит преимущественно из остатков различных растений, часть которых при разложении преобразуется в коллоидную массу (гумус), а часть сохраняет свои начальные формы. В зависимости от условий образования и состава растительных остатков среди торфов выделяется ряд разновидностей — низинный, верховой и переходный, а также древесный, моховой, осоковый и т.п., а по залеганию — открытый и погребенный.
Торф обладает способностью вмещать воду в весьма большом количестве: 1 кг торфа может впитать 3—10 кг воды, т.е. его влажность достигает ω = 10 (1000 %). Торф отдает воду почти с таким же трудом, как и глинистые грунты. Это свойство (низкой водоотдачи) затрудняет осушение торфяных болот в ходе их освоения для застройки. Торф при осушении уменьшается в объеме в 7—10 раз, поэтому поверхность грунта опускается на 1—2 м и более. Сооружениям, построенным на таких участках на сваях, угрожает «повисание в воздухе». Так, например, при осушении территории в Архангельске с помощью дренажей, несмотря на малые давления на грунт (менее 0,05 МПа), осадки зданий достигли 3—4 м при абсолютной разности осадок до 1,3 м, что привело к разрушению зданий [16]. Следует также иметь в виду, что здания, построенные на таких грунтах, получают деформации не только от вертикальных осадок, но и от сдвигов торфяных залежей в сторону откосов котлованов (оползание распространяется до 20 м и более). В этом случае могут деформироваться здания, возведенные на свайных фундаментах [16].
На физико-механические свойства торфа оказывает влияние степень его разложения, т.е. отношение полностью разложившейся массы к общей массе торфа. Сжимаемость торфа чрезвычайно велика. Под нагрузкой всего 100 — 200 кН/м2 осадка образца торфа достигает 30—50 % первоначальной высоты. Уплотнение торфа за счет фильтрационной консолидации протекает быстро, а за счет ползучести — длительное время (годы). Компрессионная зависимость торфа нелинейна. При циклических нагрузках наблюдается общее увеличение деформации сжатия с каждым циклом.
Сопротивление торфа сдвигу в сильной степени зависит от его- плотности-влажности. Сопротивление возрастает быстрее степени его консолидации под нагрузкой и достигает практически конечной (наибольшей) величины, в то время как осадка составляет только 60—70 % ее полного значения. Сопротивление сдвигу увеличивается с увеличением продолжительности уплотнения. Однако 70—90 % полного сопротивления реализуется уже после трехчасового уплотнения образца.
Водопроницаемость торфа изменяется в большом диапазоне значений коэффициента фильтрации. Для торфа характерно наличие начального градиента, даже если он обладает сравнительно большой водопроницаемостью. Уплотнение торфа внешней нагрузкой значительно уменьшает его водопроницаемость и увеличивает начальный градиент напора. Аналогичные явления наблюдаются при увеличении степени разложения торфа. В процессе фильтрации водопроницаемость снижается вследствие кольматации пор торфяной массы.
Таким образом, торф в качестве основания по сравнению с минеральными грунтами имеет значительно худшие свойства, поскольку его влажность больше в 20—60 раз, коэффициент пористости — в 15—40 раз, а модуль деформации меньше в 10—100 раз [16].
Коэффициент морозного пучения торфа составляет 1,02—1,03; это значит, что торф — практически непучинистый грунт [16]. Влияние притока воды почти не сказывается на пучинистости, а влажность грунта до и после промерзания не меняется.
Заторфованными называются грунты, содержащие от 10 до 50 % (по массе) органических веществ (неразложившихся и разложившихся). По условиям образования заторфованные грунты могут относиться к трем основным фациальным группам: морской, лагунной, континентальной. Заторфованные грунты морского происхождения обычно представлены мелкими песками, супесями и суглинками с содержанием органических веществ 10—45 %. Заторфованные грунты лагунного происхождения имеют значительное количество растительных остатков. Заторфованные грунты континентального происхождения представлены озерными, болотными, озерно-болотными, озерно-ледниковыми и аллювиальными отложениями [15].
Наличие органических включений предопределяет высокую гидрофильность заторфованных грунтов и в связи с этим повышенное содержание в них адсорбированной влаги. Для этих грунтов характерна низкая фильтрационная способность. Так, например, при содержании органики 0,2 % скорость фильтрации (по сравнению с чистыми песками) уменьшается в 10 раз, содержание органики 20 % делает пески практически водонепроницаемыми за счет явления кольматажа (заиливания) пор в песке органическими включениями и их набухания при увлажнении. В суглинках увеличение содержания органики ведет к снижению коэффициента фильтрации, а в глинах водопроницаемость возрастает.
Высокая пористость и водонасыщенность заторфованных грунтов, а также наличие органических включений в различных пропорциях и стадиях по степени разложения, особенности структурных связей и т.п. влияют на прочностные свойства грунтов [15].
Деформируемость заторфованных грунтов также обусловлена их структурными особенностями. Структурная прочность в редких случаях превышает 0,03 МПа.
При давлениях, превышающих значение структурной прочности, происходит интенсивное уплотнение грунта за счет фильтрационной консолидации. Увеличение содержания в грунтах органических веществ приводит к повышению их сжимаемости. Увеличение степени разложения органики уменьшает сжимаемость в 1,5—3 раза [15].
Особенностью заторфованных грунтов является их большая сжимаемость (E = 1÷20 МПа) и медленное протекание осадок во времени. Сильнозаторфованные грунты при воздействии на них постоянной действующей нагрузки ведут себя аналогично торфу, и значительно деформируются, причем остаточные деформации составляют до 90 % общей осадки. Эту особенность заторфованных грунтов используют при строительстве, предварительно уплотняя основание временной пригрузкой (предпостроечное и предэксплуатационное уплотнение).
Специфической особенностью заторфованных грунтов является их свойство изменять свой химический состав во времени под действием процессов разложения органических включений. При этом увеличивается пористость грунта, и может произойти его самоуплотнение под действием собственного веса.
Сапропель — пресноводный ил, образованный при разложении органических (преимущественно растительных) остатков и содержащий более 10 % органических веществ. Коэффициент пористости сапропеля, как правило, более 3, показатель текучести больше 1; содержание частиц размером более 0,25 мм не превышает 5 %. Образуется этот грунт на дне озер, морей и в долинах рек (в условиях отсутствия кислорода).
Свойства сапропелей весьма неблагоприятны: влажность достигает 100 — 200 % и более; модуль деформации обычно не более 0,5 МПа; обладают способностью к большой усадке при уменьшении влажности, удельный объем твердой фазы при этом уменьшается в 3—10 раз, а пористость — в 7—9 раз.
В XVII—XIX столетиях и ранее при подготовке торфяных болот под застройку часть торфа снимали (выторфовка), подсыпали грунт в разработанные траншеи, укладывали в них бревна (лежни) и уже после этого вели кладку фундаментов. Если торф оставляли непосредственно под фундаментами, то здания даже незначительной высоты (1—2 этажа), получали большие и неравномерные деформации. Капитальные здания возводили на деревянных сваях, длина которых обычно не превышала 6 м. Такие сваи зачастую не достигали плотных подстилающих грунтов, и здания также получали большие осадки. Массовые обследования в Ленинграде показали, что капитальные дома в районах распространения торфов и заторфованных грунтов находятся обычно в худшем техническом состоянии, чем в других районах.
При возведении новых зданий вблизи существующих в рассматриваемых грунтовых условиях в настоящее время применяются сваи. Однако и в этом случае приходится разрабатывать котлованы и производить водопонижение, т.е. использовать воздействия, влияющие на напряженно деформированное состояние грунта, лежащего ниже подошвы существующих фундаментов.
Наибольшую опасность представляет временное и постоянное понижение уровня подземных вод. Осушенный торф претерпевает сильнейшие изменения: получает большую усадку, подвергается процессам грибкового и бактериального разложения. Вместе с торфом разлагается и древесина подземных частей старых зданий: сваи, ростверки, лежни. По указанным причинам на таких площадках недопустимо применение постоянных дренажных устройств, приводящих к понижению уровня подземных вод ниже подошвы существующих фундаментов.
Кроме того, технологический водоотлив (глубинный или открытый) также нежелателен, поскольку торф, заторфованные грунты, сапропели могут весьма интенсивно уплотняться при снятии взвешивающего действия воды, и здания получат опасные повреждения. В рассматриваемых условиях строительные котлованы должны устраиваться под защитой фильтрационных завес, прежде всего из металлического шпунта, который должен быть погружен в водоупорный слой.
Изложенное показывает, что биогенные грунты, содержащие органические вещества, обладают особыми отрицательными свойствами, которые необходимо учитывать при строительстве возле зданий и сооружений, под которыми залегают такие грунты.