Механические характеристики глинистых и песчанистых элювиальных грунтов строительных фундаментов при их водонасыщении исследовали для целей предотвращения возможных аварийных ситуаций ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) совместно с коллегами из Санкт-Петербургского горного университета, 31 октября сообщает пресс-служба ПНИПУ.

Элювиальные грунты (образуются выветриванием коренных пород) в России широко распространены, особенно в Сибири и на Урале. При насыщении водой они размягчаются, что может приводить к неравномерным оседаниям фундаментов, сползанию склонов, провалам шахт и протечкам плотин. Учет такого размягчения на этапе проектирования фундаментов зданий и сооружений поможет снизить потенциальный риск подобных аварийных ситуаций.

Элювиальные твердые глины и песчаники имеют неоднородный состав. Их структура состоит из элементов с различной плотностью и прочностью, пространство между которыми заполнено пылевато-глинистой массой.

При впитывании воды таким грунтом эти связи разрушаются, увеличивая его пористость, а высыхание не приводит к восстановлению изначальной плотной структуры. Таким образом, размягчение водой элювиальных грунтов снижает их прочность.

Распространенность элювиальных твердых глин и песчаников приводит к тому, что они часто становятся основой для фундаментов новостроек. Отсюда возникает задача предотвращения аварийных ситуаций со зданиями и сооружениями из-за ухудшения механических свойств таких грунтов.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно со специалистами Санкт-Петербургского горного университета провели эксперименты, чтобы установить, как меняются характеристики элювиальных грунтов при насыщении их водой.

Для этого ими были подготовлены образцы таких грунтов, которые были испытаны на устойчивость к вертикальным сжимающим нагрузкам, выполнено их специальное компрессионное сжатие, а также одноплоскостной срез для проверки сцепления и угла внутреннего трения. Полученные данные помогли рассчитать давление, которое может выдержать этот грунт в основании сооружений.

Доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, кандидат технических наук Евгения Акбулякова рассказала о результатах исследования:

«Эксперименты показали, что водонасыщение элювиальных глинистых и песчаных грунтов значительно снижает их прочностные и деформационные свойства. Замачивание образцов приводило к тому, что, например, глина теряла прочность и устойчивость к вертикальным сжимающим нагрузкам на 50–70%, а песчаник — на 40–90%. Угол внутреннего трения снизился на 28% и 23%, а удельное сцепление — на 29% и 33%».

Полученные данные легли в основу разработанных рекомендаций для проектирования фундаментов. Ученые указывают также на необходимость защищать элювиальные грунты на время вскрытия котлована под фундамент, применять водозащитные мероприятия, а также оставлять в выработке так называемый недобор — грунтовый слой от 5 до 20 см толщиной.

Кроме того, они указывают на опасность длительных перерывов (несколько месяцев и более) при производстве земляных работ.

Учет изменений в механических характеристиках грунтов после водонасыщения, которые были установлены в данном исследовании, поможет избежать аварийных ситуаций, снизить затраты на усиление грунтов, лежащих в основании фундамента, и повысить надежность и долговечность возводимых зданий и сооружений.

Результаты исследования были представлены в статье, опубликованной в журнале Soil Mechanics and Foundation Engineering, № 4, 2024.