книги / Механика грунтов, основания и фундаменты
..pdfЧасть 1
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
ГЛАВА 1 СОСТАВ, СТРОЕНИЕ
И СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ
1.1. Грунтовые основания. Происхождение грунтов
Всякое сооружение покоится на грунтовом основании. В зависи мости от геологического строения участка застройки строение ос нования даже расположенных вблизи сооружений может быть раз
личным (рис. 1.1). Обычно |
|
||||||
основание |
состоит |
из не |
|
||||
скольких |
типов |
грунтов, |
|
||||
которые определенным об |
|
||||||
разом |
сочетаются |
в про |
|
||||
странстве |
(сооружения А, |
|
|||||
В, Г, Д на рис. 1.1). В част |
|
||||||
ном случае основание мо |
|
||||||
жет состоять из грунта од |
|
||||||
ного типа (сооружение Б на |
|
||||||
рис. |
1.1). |
|
и |
основа |
|
||
Сооружение |
|
||||||
ние составляют единую си |
|
||||||
стему. |
Свойства |
грунтов |
|
||||
основания, |
их |
поведение |
|
||||
под |
нагрузками |
от |
соору |
|
|||
жения во многом определя |
|
||||||
ют |
прочность, |
устойчи |
|
||||
вость и нормальную эксп |
|
||||||
луатацию сооружения. По |
гие. 1.1. Геологическое строениеучастка застройки |
||||||
этому |
инженер-строитель |
||||||
с площадками зданий А—Д. |
|||||||
должен хорошо понимать, |
|||||||
1 — известняк закарстованный; 2 — щебень изве |
|||||||
что |
представляют |
собой |
|||||
грунты, каковы их особен |
стняка; 3 — песок; 4 — супесь; 5 — торф;----------- |
||||||
— граница основания сооружения;------------ - — |
|||||||
ности по сравнению с дру |
уровень подземных вод |
11
гимн конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т. п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых основа ний.
Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.
Горной породой называют закономерно построенную совокуп ность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.
Под составом подразумевают перечень минералов, составля ющих породу. Структура — это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстура — пространст венное расположение элементов грунта, определяющее его стро ение.
Термин «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», который используется в геологии, географии, горном и геолого-разведочном деле. В ин женерной геологии термин «горная порода» применяется при описа нии геологической среды за пределами основания и на допроектных стадиях исследований.
Горная порода, а следовательно, и грунт представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Действительно, случайных совокупностей минералов может быть много. Закономерно по строенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Инженерная геология из учает закономерности образования и свойства горных пород как грунтов. Наличие в природе однотипных грунтов, широко рас пространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов. Так, существование слабых водонасыщенных грунтов — илов — уже в древности привело к идее устройства свайных фундаментов; особые свойства не менее широко распространенного лессового грунта потребовали раз работка специальных способов строительства и т. п. В связи с этим, прежде чем рассматривать методы расчета и проектирова ния оснований и фундаментов, необходимо изучить основные типы грунтов, их физические свойства, особенности строения оснований.
Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. В инженерной геологии , происхождение грунтов детально изучено для разных условий. Про исхождение положено в основу классификации грунтов (ГОСТ 25100-82).
Все грунты разделяются на естественные — магматические, оса
12
дочные, метаморфические — и искусственные — уплотненные, за крепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.
Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов маг мы в верхних слоях земной коры (интрузивные" или глубинные, породы — граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузив ные, или излившиеся,— базальты, порфиры и др.).
Осадочные горные породы образуются в результате выветрива ния, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадоч ного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от сте пени упрочнения различают сцементированные (песчаники, доломи ты, алевролиты и т. п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лёссы, илы, торфы, почвы и т. п.).
Метаморфические горные породы образуются в недрах из оса дочных, магматических или метаморфических пород путём их пере кристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метамор фические горные породы — сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.
Горные породы магматического, метаморфического происхож дения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и агрегатами и относятся к классу скальных грунтов. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу нескальных грунтов.
В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной со временного выветривания, под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического состава воды, газов, деятель ности растительных и животных организмов и т. п. развиваются процессы выветривания — физического, химического, органическо го разрушения минералов и горных пород.. Продукты разрушения верхних зон коры выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переноситься на большие расстояния и вновь отклады ваться на новых территориях. Различие условий происхождения и дальнейшего изменения являются причиной разнообразия стро ения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.
К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные матери алами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и Глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т. п.). К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в при родном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы (шлаки, золы и т. п.).
13
1.2. Состав грунтов
Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии — грунтоведении.
В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной (рис. 1.2).
Иногда в грунте выделяют биоту — живое вещество. Это опра вдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воз действие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бак терий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.
Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в посто янном взаимодействии, которое активизируется в результате стро ительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооруже ний, т. е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глу бинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух
и даже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты
всоставе грунта может встретиться твердая и газообразная ком поненты либо только твердая, если все пространство между части
цами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грун
|
товой массой». Газ в усло |
|||||
|
виях высокого гидростати |
|||||
|
ческого |
давления |
полно |
|||
|
стью растворен в воде, но |
|||||
|
может выделиться |
из нее |
||||
|
при |
понижении внешнего |
||||
|
давления |
или |
повышении |
|||
|
температуры. |
При |
внеш |
|||
|
них |
воздействиях, |
напри |
|||
|
мер, от строительства и эк |
|||||
|
сплуатации зданий, |
одно |
||||
|
компонентная система гру |
|||||
|
нта |
может |
переходить |
|||
|
в |
двухкомпонентную, |
||||
% - биот |
а |
двухкомпонентная — в |
||||
трехкомпонентную. |
При |
|||||
|
||||||
Рис. 1.2. Состав грунта: |
этом, как правило, |
ухуд |
||||
а — инертные минералы; б — растворимые ми |
шаются свойства грунта. |
|||||
нералы; в — коллоидно-активныеминералы;г — |
Было бы сравнительно |
|||||
органическое вещество |
просто решать задачи фун |
14
даментостроения, если бы грунт можно было рассматривать как механическую систему, состоящую из твердого, жидкого и газооб разного веществ с фиксированными независимыми свойствами каж дой компоненты. В действительности депо обстоит сложнее. На свойства грунта как системы значительное влияние оказывает мине ральный и химический состав вещества, наличие биологически ак тивной составляющей. Химические, физические, физико-химические и биологические процессы в грунтах протекают в сложном взаимо действии, сливаясь в единый геологический процесс, который изме няет свойства грунта во времени до строительства, при строитель стве и впоследствии при эксплуатации сооружений.
Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минера лов с различными свойствами. Ч асть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты, полностью сложен ные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метамо рфических и часть осадочных. Среди осадочных пород этими мине ралами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также об разующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты. Многие грунты содержат инертные минералы в значительных коли чествах, но наряду с минералами других групп.
Большое влияние на свойства грунтов оказывают раствори мые в воде минералы. К ним относятся галит NaCi, гипс CaS04-2H20, кальцит СаС03 и некоторые другие. Такие распрост раненные горные породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно. Эти грунты традици онно используются как надежные основания и стойкие строитель ные материалы. При этом необходимо убедиться , в отсутствии в основании крупных пустот. Образование кислых дождей и утечка кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамо ра и известняка и как основания, и как материала сооружений, с чем связаны деформации зданий и частые ремонтно-реставрационные работы, например белокаменного декора старой Москвы.
В нескальных грунтах растворимые минералы обычно или от сутствуют, или встречаются в небольших количествах, не превыша ющих нескольких процентов по массе. Однако и малое содержание растворимых минералов оказывает существенное влияние на свой ства грунта. В сухом состоянии частицы грунта могут быть скреп лены растворимыми минералами (например, лёссовые грунты). При увлажнении связи разрушаются, грунт теряет прочность и может деформироваться даже от собственного веса, тем более под нагруз
15
|
кой от сооружений. В насыпных грунтах из |
|
|
различного рода отходов производства обы |
|
|
чно встречаются и другие нестойкие минера |
|
|
лы, которые при взаимодействии с водой |
|
|
сильно повышают ее агрессию по отноше |
|
|
нию к бетону и металлу. |
|
Рис. 1.3. Характерная |
Глинистые минералы составляют тре |
|
форма кристаллов ка |
тью группу. Они нерастворимы в воде в от |
|
олинита. Поперечный |
||
личие от минералов предыдущей группы, но |
||
размер около 2000 А |
||
(по Б.К. Хоу) |
их никак нельзя приравнять к инертным ми |
|
|
нералам первой группы. В силу чрезвычайно |
|
|
малых размеров кристаллов глинистые ми |
нералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним от носятся каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности. Форма кристаллов пластинчатая (рис. 1.3) или игольчатая. Размеры кристаллов не превышают 1...2 мкм. Поэтому, например, в грамме каолина суммарная площадь поверхности всех частиц составляет около 10 м2. Для монтмориллонита, у которого кристаллы мельче, площадь частиц в 1 г вещества достигает даже 800 м2.
Из-за мельчайших размеров и высокоразвитой поверхности гли нистые минералы активно взаимодействуют с жидкой составля ющей грунтов. Поэтому уже малое содержание их в общей массе грунта резко изменяет его свойства.
Органическое вещество в грунтах у поверхности земли нахо дится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубо ких горизонтах — в виде нефти, бурого и каменного угля. Повсеме стно на равнинных площадях с поверхности залегает почва, которая содержит 0,5...5% органических соединений. В ней на каждый грамм грунта приходится до нескольких миллиардов микроорганизмов. Именно для почвы характерны концентрация жизни на Земле, на ибольшая интенсивность и наибольшее разнообразие биологичес ких процессов. При'отмирании растений и организмов образуется гумус — специфическое органическое вещество, в котором боль шую роль играют высокомолекулярные органические кислоты, на ходящиеся в коллоидном состоянии (гуминовая кислота и др.). Гумус как бы увеличивает «глинистость» грунта. Коллоидная ак тивность гумуса выше, чем даже глинистых минералов. По М. М. Филатову, 1% гумуса в этом отношении приблизительно равен 1,5% глинистых частиц.
В археологическом культурном слое городов и современных техногенных отложениях органические образования часто залегают в виде неразложившихся древесных остатков. Ниже уровни подзем ных вод и в засоленных грунтах они сохраняются в течение столе тий. При понижении уровня подземных вод и доступе кислорода разложение этих остатков приводит к ослаблению грунта и несущая способность техногенных грунтов снижается. В связи с этим нужно
помнить, что здания XIX в. и более ранние в городах часто стоят на деревянных сваях. Понижение уровня подземных вод с обнажением свай ведет к деформациям фундаментов и верхнего строения через несколько лет после дренирования.
Жидкая составляющая грунтов. Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым суще ственным образом зависят от состава и содержания в них воды. Основываясь на работах А. Ф. Лебедева, А. А. Роде, П. А. Ребин дера, Е. М. Сергеева и др., можно выделить следующие состояния воды в грунте: кристаллизационная, или химически связанная, свя занная и свободная. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составля ющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.
К ристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести'к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.
Вода, заполняющая поры грунта («поровая вода»), может рас творять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. В некоторых районах даже в верхних слоях грунта содержание солей в воде достигает 10 г/л. Взаимодействуя с поверхностным слоем глинистых минералов, молекулы воды и ионы растворенных в ней веществ проникают в различного рода дефекты этого слоя. Происходят обмен ионов поверхностного слоя с ионами грунтового раствора, диссоциация некоторых минералов этого слоя с переходом ионов водорода в раствор. В результате на поверхности тонкодисперсных частиц возникает отрицательный электрический заряд, а вокруг самих ча стиц образуется электрическое поле.
Молекулы воды в целом электронейтральны, но, поскольку ато мы водорода и кислорода расположены в них несимметрично, они представляют собой диполи, один конец которых соответствует положительному, а другой — отрицательному заряду. Электричес кое поле поверхности частиц притягивает катионы грунтового рас твора, образуя диффузные оболочки. Молекулы воды, в свою оче редь, ориентируются положительно заряженными концами в напра влении поверхности частиц и отрицательно заряженными концами вокруг катионов. По мере удаления от поверхности частицы силы электромолекулярного взаимодействия падают, концентрация кати онов уменьшается и увеличивается концентрации анионов, притяже ние молекул воды поверхностью частиц ослабевает.
С уменьшением сил электростатического притяжения начинают преобладать силы хаотического теплового движения ионов рас твора и молекул воды. Активность проявления этих процессов определяется минеральным составом частиц, химическим составом
17
Рис. 1.4. Схема взаимодействия частиц с водой:
I — твердая частица; II — связанная вода; III — свободная вода; 1 — частица; 2 — катион; 3 — анион; 4 — молекула воды
a) |
sTst |
■■■■:. Рк
ас:<:'d
•с:
‘У.■.’:■ Iv V -v ;v4 ^ ^ •'•'■ |
~. |
Рк Рк
Рис. 1.5. Капиллярнаяводавгрунтах:
1 — поверхность грунта; 2 — поверхность капиллярной каймы над грунтовыми во дами; 3 — уровень подземных вод; 4 — частица; 5 — вода; б — газ
и концентрацией грунтового раствора и многими другими фак торами.
Молекулы воды непосредственно у поверхности частиц испыты вают огромные, в сотни МПа, силы притяжения. Свойства этой воды, называемой прочносвязанной водой, существенно отлич ны от свойств свободной воды: плотность достигает 1,2...2,4 г/см3, вода имеет повышенную вязкость, не замерзает при температуре до —100 °С и т. п.
Последующие слои молекул воды, оставаясь связанными повер хностью частицы, уже испытывают все уменьшающуюся силу при тяжения. Такая вода называется рыхлосвязанной. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках. Наконец, на достаточном удалении от поверхности частицы силы притяжения ослабевают настолько, что определяющим становится тепловое движение молекул воды и ионов раствора. Такая вода называется свободной. На рис. 1.4 показана принципиальная схе ма взаимодействия поверхности пылевато-глинистой частицы с поровой водой.
Свободная вода в грунте подчиняется законам гидравлики. Она
18
передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделя ют на гравитационную и капиллярную. Практически вся вода, содержащаяся в трещиноватых скальных породах, крупнообломоч ных, гравелистых и крупных песках, относится к гравитационной. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах.
В тонкозернистых грунтах поры объединяются в систему слож ных по конфигурации капиллярных каналов. За счет смачивания водой стенок вертикальных каналов поверхность водяного столба искривляется, образуя вогнутый мениск. Силы поверхностного натя жения на вогнутой поверхности, складываясь, дают вертикальную составляющую давления рг, поднимающую столб воды на высоту hK тем большую, чем меньше диаметр капилляра (рис. 1.5, а).
Приведем предельную высоту капиллярного поднятия в неко торых типах грунтов (по А. М. Овчинникову): песок крупный — 3,5 см; песок средний — 35 см; песок мелкий — 120 см; супесь — 3,5 м; суглинок — 6,5 м.
В глинах диаметр капилляров меньше, чем в суглинках. Каза лось бы, следует ожидать дальнейшего увеличения высоты капил лярного поднятия. Однако здесь одновременно увеличивается тол щина пленок связанной воды, окружающей глинистые частицы, и нарушается механизм смачивания. Тонкие поры в глинистых грунтах (ультрапоры) могут быть полностью заняты связанной водой, и движение капиллярной воды в них будет отсутствовать.
Давление рк, называемое капиллярны м давлением, уравно вешивается весом столба жидкости высотой hs. Следовательно, вода в пределах капилляра испытывает растяжение. В то же время, согласно третьему закону Ньютона, к частицам грунта, состав ляющим стенки капилляра, в уровне менисков оказывается прило жено сжимающее давление такой же величины рк.
В не полностью водонасыщенных грунтах образуется капилляр но-стыковая вода, которая сосредоточивается вблизи контактов соприкасающихся частиц (рис. 1.5, б). В этом случае на границах воды и газа также образуются мениски, в воде возникают рас тягивающие напряжения pz, передающие сжимающие напряжения на частицы. В результате по всему объему влажного грунта создает ся всестороннее сжатие.
Сложное и разнообразное взаимодействие твердых частиц грун та с водой очень сильно влияет на свойства грунта. Например, замерзание пылевато-глинистых грунтов происходит постепенно при понижении отрицательной температуры: сначала в лед перехо дит свободная вода, затем периферийные и, наконец, более глубокие слои рыхлосвязанной воды. Фильтрация свободной воды в грунте возникает сразу же после появления разности напоров. Однако для перемещения слоев даже рыхлосвязанной воды требуется приложе ние тем больших силовых воздействий, чем ближе эти слои находят
19
ся к поверхности частиц. В то же время, если по каким-либо причинам, например из-за перепада температуры в зоне замерзания грунта, соседние частицы будут иметь разные по толщине слои связанной воды, возможно возникновение миграции — перемеще ния связанной воды из более толстых пленок в более тонкие. Если зона замерзания грунта соединена капиллярной водой с уровнем подземных вод, то объем воды, подтягиваемой в зону замерзания, может быть весьма значительным.
Можно было бы привести и другие многочисленные примеры, которые будут рассмотрены в соответствующих частях курса. Здесь важно отметить, что знание физико-химических особенностей вза имодействия твердых частиц с водой в грунте позволяет не только объяснить многие важные особенности поведения грунта, но и раз работать важные для практики строительства инженерные меропри ятия.
Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже — азотом, метаном, сероводородом и другими га зами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ ядовиты и могут содержаться в грунте в концентрациях, опас ных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между атмосферой и грунтом зависит от состава и состояния грунта и повышается с увеличением содержа ния и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.
Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на незащемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.
Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания рас творенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.
Наблюдения показывают, что при подтоплении территории (по вышении уровня подземных вод) в обводненном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Это
20