8.3 Набухання та зсідання (усадка) глин

До набухаючих відносяться ґрунти, які здатні збільшуватися в об'ємі при підвищенні вологості та зменшуватись при висиханні.

Процес збільшення в об'ємі називається набуханням, а зменшення –зсіданням (усадкою).

Здатністю набухати майже завжди володіють глини, оскільки набухання при замочуванні відбувається внаслідок збільшення товщини плівок зв'язної води, її розклинюючої дії. Ступінь збільшення об'єму ґрунтів при набуханні залежить від їхнього складу (особливо сильно набухають монтморилонітові глини), доступності поверхні частинок для молекул води та ступеня ущільнення грунту (наприклад, переущільнені морські глини схильні набухати). Крім глин, здатністю набухати володіють деякі види шлаків, а також звичайні пилувато-глинисті ґрунти при замочуванні їх хімічними відходами виробництва.

На Україні набухаючі глини зустрічаються в Криму, в районах Керчі та Феодосії.

Набухання відбувається внаслідок усмоктування води ззовні та за рахунок перерозподілу молекул води усередині ґрунту. У першому випадку набухання досить велике. Набухання без вбирання води ззовні проявляється, зокрема, при улаштуванні котлованів у результаті зняття природного тиску. Внаслідок набухання глин дно котлованів підіймається від кількох міліметрів до декількох десятків сантиметрів.

Якщо дно котлована з набухаючими ґрунтами залишити відкритим (у літній сухий час року навіть протягом доби), то відбудеться зсідання глин з поверхні. Це пов'язано з їхнім ущільненням і викликає появу тріщин. Використання такого ґрунту як основи фундаментів у подальшому при попаданні води приведе до їх набухання (переущільнення та покращення доступності для молекул води). У зв'язку з цим безпосередньо перед будівництвом глини верхнього шару, що набухають або зазнають зсідання, повинні бути вилучені.

Якщо переущільнений глинистий грунт вбирає воду, знаходячись в умовах, що виключають збільшення його об'єму, то навколишнє середовище починає зазнавати тиску набухання. Його величина поступово збільшується з часом, досягаючи максимального значення через декілька десятків діб від початку замочування.

Величина тиску набухання для більшості глин, як правило, не перевищує 150-200 кПа, а в деяких випадках може досягти 1,2-1,5 МПа.

Ступінь набухання глинистих ґрунтів при вбиранні ними води залежить від величини тиску, зазнаного ними ззовні. Чим менший цей тиск у порівнянні з тиском набухання, тим більшим при інших рівних умовах буде набухання глинистого ґрунту, і тому найбільших деформацій зазнають легкі будинки та споруди.

Кількісно набухаючі грунти характеризуються такими показниками: тиском набухання (р_sw), вологістю набухання (w_sw), відносним набуханням (ε_sw) при зволоженні та відносним зсіданням при висиханні (ε_sh).

За тиск набухання р_sw приймають тиск на зразок ґрунту, що замочується і обтискується без можливості бокового розширення, при якому деформації набухання дорівнюють нулю.

За вологість набухання ґрунту w_sw приймають вологість, одержану після завершення набухання зразка ґрунту, обтисненого без можливості бокового розширення заданим тиском.

Таким чином, вологість набухання є величиною перемінною, яка залежить від діючого тиску. Те ж саме відноситься до двох останніх характеристик.

Відносне набухання визначається за результатами компресійних випробувань і підраховується за формулою

ε_sw =   ,                                          (8.2)

де h_n- висота зразка природної вологості і щільності, обтиснутого тиском р без можливості бокового розширення;

h_sat - висота того ж зразка після замочування до повного водонасичення при такому ж тиску.

Якщо ε_sw визначається тільки при одному значенні тиску, то цей тиск рекомендується брати рівним

σ_z,tot = σ_z,р + σ_z,g + σ_z,ad, (8.3)

де σ_z,р - вертикальний тиск на заданій глибині від навантаження фундаменту;

σ_z,g - тиск на тій же глибині від власної ваги ґрунту (природний тиск);

σ_z,ad - додатковий вертикальний тиск від ваги незволоженої частини масиву ґрунту за межами площі замочування.

Відносне зсідання при висиханні визначається за формулою

ε_sh = ,                                   (8.4)

де h_n - висота зразка ґрунту можливої найбільшої вологості при обтисненні його сумарним вертикальним напруженням без можливості бокового розширення;

h_d - висота зразка ґрунту в тих же умовах при зменшенні вологості внаслідок висихання.

Ступінь прояву набухання та зсідання, як і в просідаючих ґрунтах, залежить від конкретних гідрогеологічних умов. Набухання та зсідання можливі за рахунок таких факторів:

- піднімання рівня ґрунтових вод, інфільтрації;

- накопичення вологи під спорудами в обмеженій за глибиною зоні внаслідок порушення природних умов випаровування при забудові і асфальтуванні території;

- зміни водно-теплового режиму у верхній частині зони аерації під впливом сезонних кліматичних явищ;

- висихання ґрунтів від зовнішніх теплових джерел (печі та ін.).

Ці зміни можуть викликати деформації малозаглиблених споруд, зведених на набухаючих глинах.