книги / Механика грунтов
..pdfисторических условий их существования. Так, свойства природ ных глин могут быть весьма различны в зависимости от воз раста и всей предыдущей истории их существования. Например, кембрийские глины, возраст которых около 500 млн. лет, за столь длительный период несомненно подвергались воздей ствию переменного давления большой величины, частичным вы сыханиям и пр. Химические и физико-химические процессы, протекающие даже с ничтожно малыми скоростями и совер шенно неуловимые в относительно малые промежутки времени, могли сказаться в полной мере; чрезвычайно медленные вязкие течения за столь длительное время также могли существенно повлиять на структуру и текстуру этих глин. Все эти процессы обусловили совершенно особые свойства кембрийских глин, отличающие их от других видов глин. Как правило, эти глины представляют твердый упруго-вязкий материал со значитель ной величиной несущей способности. Другое дело, например,
ленточные глины, возраст которых около |
10 000 лет. Тонкие |
слои ленточных глин откладывались в |
широких спокойных |
озерах в период отступания ледников и в последующее время почти никаким нагрузкам (кроме собственного веса грунта) не подвергались. Эти глины малоуплотненные и находятся в пластичном и часто в текучем состоянии с незначительной не сущей способностью. Валунные глины и суглинки донной мо рены того же возраста, что и ленточные, но значительно уплот ненные в период своего формирования весом мощного ледни кового покрова, обладают значительной плотностью и могут служить прекрасным основанием для сооружений.
Современные морские, лагунные и озерные глинистые отло жения, как правило, еще менее уплотненные даже по сравне нию с ленточными глинами, зачастую находятся в набухше-те- кучем состоянии, обладая ничтожной несущей способностью.
В такой же резкой зависимости от условий происхождения находятся и пески; одни пески могут быть чрезвычайно уплот нены, другие— находятся в рыхлом и плывунном состоянии.
Таким образом, при изучении природных грунтов с учетом их взаимодействия с окружающей средой и непрерывной изме няемости свойств большое внимание следует уделять гене зису их, т. е. происхождению и условиям образования, а также фациальности, т. е. физико-географической обстановке об разования грунтов. Существенное значение при формировании определенных свойств грунта имеет процесс диаге не з а, т. е. многовекового воздействия окружающей среды (уплотнение, цементация, выщелачивание и пр.). Явления диагенеза совмест но с тектоническими явлениями (главным образом опускание участков земной коры) могут создать условия, способствующие
изменению структуры и состава грунтов, а при соответствую щих давлениях и температуре приводят к явлениям ме т а мо р физ ма, т. е. к полному видоизменению рыхлых горных по род путем цементации и перекристаллизации их минеральной части до состояния массивных горных пород.
Зависимость свойств грунтов от воздействий окружающей среды, их интенсивности, характера и продолжительности по казывает, что выбор расчетных схем в механике грунтов дол жны производить в соответствии с природной обстановкой, в ко торой находятся грунты, а определение расчетных характеристик грунтов, находящихся в условиях естественного залегания, —
только на основании опытов с |
соответствующими о б р а з ц а |
ми грунтов е с т е с т в е нно г о |
с ло же н и я при минимальном |
нарушении их природной структуры.
§ 2. СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРУНТОВ Некоторые замечания
Рассматривая природные грунты как дисперсные тела вер хней части коры выветривания — литосферы, следует прежде всего отметить, что в условиях естественного залегания они представляют сложнейшую систему взаимодействующих между собой частиц, находящихся в тве рдом, ж и д к о м и г а з о о б ра з но м состоянии.
Количественные соотношения составных элементов грунтов не остаются постоянными, а изменяются с той или иной скоро стью под влиянием внешних физико-геологических и механиче ских воздействий. Существенное значение здесь будут иметь соотношения между отдельными группами частиц и, особен но, количество мелких и мельчайших твердых частиц грунтов, наиболее активных, имеющих наибольшую удельную поверх ность. Такие строительные свойства грунтов, как их уплотняемость, устойчивость структуры, сопротивление внешним силам и пр., зависят не только от крупности частиц, но и от их мине ралогического состава, гидрофильности, наличия в грунтовой воде растворенных солей (главным образом сульфатов и кар бонатов кальция, замедляющих уплотнение осадков), а также от содержания органических включений, особенно коллои дальных.
Все это и обусловливает механическую неоднородность грун тов, особенно глинистых.
В общем случае грунт можно представить состоящим из трех компонентов: твердых минеральных частиц, как пра вило, занимающих большую часть объема грунта, жидких, частично или полностью заполняющих промежутки между твер-
дыми частицами грунта (поры), и г а з о о б р а з н ы х — различ ного рода газов и паров, также занимающих ту или иную часть объема пор грунта и содержащихся в растворенном состоянии в грунтовой воде. Свойства этих компонентов, их количест венные соотношения в грунте, а также электромолекулярные, физико-химические, механические и прочие взаимодействия меж ду компонентами грунтов и их агрегатами и определяют при роду грунтов.
Твердые минеральные частицы
Твердые частицы представляют систему минеральных зерен величиной от нескольких сантиметров до мельчайших частиц, измеряемых сотыми и тысячными долями миллиметра. Свой ства твердых частиц зависят от их крупности и формы, а также от свойств составляющих их минералов.
М и н е р а л о г и ч е с к и й с о с т а в твердых частиц зависит главным образом от состава материнской породы грунтов. Од нако крупные фракции (группы частиц) даже различных гене тических типов грунтов по общим физическим и механическим свойствам мало отличаются друг от друга. На мелкие и мель чайшие частицы существенное влияние оказывает их минерало гический состав, так как чем мельче частицы грунта, тем боль шую они будут иметь поверхность. На их свойства существенно влияют поверхностные явления, интенсивность которых для раз личных минералов неодинакова. Очень мелкие глинистые ча стицы (менее 0,5 мк и, особенно, менее 0,2 мк)> представляя почти исключительно обломки кристаллов отдельных минера лов, обнаруживают чрезвычайно разнообразные свойства.
По данным Б. Б. Полынова1, кору выветривания верхней оболочки земли образуют главным образом следующие элемен ты: кислород О — 49,3%, кремний 51 — 25,7%, алюминий А1 — 7,5%, железо Ре — 4,7%, кальций, натрий, калий и магний Са, Ыа, К, М §— около 10,4%, из них большинство находится в форме окислов, из которых 58,2% окиси кремния 5Ю2 и 16% окиси алюминия А120з. Как указывалось ранее, в минералоги ческом составе мелких и мельчайших частиц грунтов (размером менее десятых долей микрона) преобладают глинистые мине ралы: монтмориллонит, иллит и каолинит. Эти минералы име ют ярко выраженное пластинчатое строение и пластинчатую мо лекулярную структуру, но различную поверхностную коллоид ную активность. Для кварца коллоидная активность близка к
нулю, для каолинита составляет около 0,4, для |
иллита — 0,9 и |
|
монтмориллонита — от 1,5 до 7,2, в зависимости |
от насыщения |
|
кальцием |
или натрием. |
|
1 Б. Ь. |
П о л ыно в . Кора выветривания. Изд-во АН |
СССР, 1934. |
3 Н. А. Цытович
М е х а н и ч е с к и й с о с т а в грунтов, т. е. количественное содержание в грунте того или иного размера твердых частиц, весьма разнообразен и определяется для крупных и средних фракций при помощи ситового анализа (просеиванием), а для мелких фракций (диаметром менее 0,05 мм) пипеточным ме тодом по скорости оседания частиц в спокойной воде1.
В настоящее |
время принято изображать механический со* |
||
став |
грунтов в |
виде так |
называемой кривой однородности |
(рис. |
1), которая строится |
по результатам механического ана* |
Рис. 1. Кривая однородности механического состава грунта
лиза грунтов. По горизонтальной оси откладывают логариф-
мы диаметров зерен |
(что вызвано желанием оттенить в составе |
|||||
грунта |
содержание |
мелких, наиболее |
активных |
фракций), а |
||
по вертикальной |
оси — суммарное содержание в |
грунте ча |
||||
стиц диаметром |
менее |
данного. |
|
|
||
Отношение диаметров частиц, соответствующих точкам А и В |
||||||
(рис. |
1), т. е. с?бо/^кь |
характеризует |
неоднородность состава |
грунта и называется коэффициентом неоднородности. Чем больше этот коэффициент, тем грунт будет неоднороднее по составу; при коэффициенте неоднородности, меньшем 3, грунт считается однородным. Кроме того, кривая однородности позво ляет по масштабу определить процентное содержание любых фракций и диаметр частиц, соответствующих определенном) процентному содержанию в грунте.
1 О методах определения механического состава и физико-механически* свойств грунтов. См. А. М. В а с и л ь е в . Основы современной методики и техники лабораторных определений физических свойств грунтов. Госстройиздат, 1953. В. Д. Л о м т а д з е. Методы лабораторных исследований физико-
механических |
свойств песчаных и глинистых |
грунтов. |
Госгеолиздат, 1952 |
М. И. Т р о и ц к а я . Пособие к лабораторным |
работам |
по механике грунтов |
|
Изд-во МГУ, |
1961. |
|
|
На основе изучения физических свойств отдельных фракций (групп частиц) грунтоведами предложен ряд классификаций частиц грунтов1. Одна из них приведена в табл. 1.
|
Классификация |
частиц грунтов |
Т а б л и ц а 1 |
|
|
||
|
Наименование частиц |
Размер части* |
|
|
в мм |
||
Галечные . |
|
|
Более 20 |
Гравелистые |
(гравий при округлой |
форме частиц и хрящ |
|
при угловатой) |
|
|
20—2 |
Песчаные: |
|
|
2 - 0 ,5 |
крупные . |
|
|
|
средние . |
|
|
0 .5 —0,25 |
мелкие . |
|
|
0,25—0,05 |
Пылеватые: |
|
|
0,05—0,01 |
крупные . |
|
|
|
Мелкие . |
................................................................................. |
* * • |
0,01—0,005 |
Глинистые . |
|
|
Менее 0,005 |
Форма |
твердых частиц |
грунтов весьма |
разнообразна |
от компактной шарообразной до пластинчатой листообразной в гонкоигольчатой. Как правило, крупные фракции (диаметром более 0,05 мм) имеют округлую или остроугольную компактную
форму, а мелкие и мельчайшие частицы глинистых грунтов -ч пластинчатую и реже игольчатую форму (рис. 2 и 3) 2*.
В верхней части рис. 2 показаны частицы каолинита и их аг
регатов, а в нижней — план и |
изометрия одной из частиц, на |
рис. 3 — игольчатые кристаллы |
аттапульгита (один из глини* |
етых минералов), заснятые электронно-микроскопной лаборато* рией Корнельского университета.
|
|
|
Т а б л и ц а |
2 |
|
Удельная |
поверхность глинистых минералов |
|
|
||
|
|
Диапазон |
|
|
|
|
|
действующих соотношений |
Удельна» |
||
|
Характеристи |
в ангстремах (0,001 р.) |
|||
Минерал |
ка отношений |
|
|
поверх |
|
длина и |
|
ность |
I |
||
|
размеров |
толщина |
ж5/г |
|
|
|
|
ширина |
|
|
|
Монтмориллонит................. |
Ю 0Х1°0Х1 |
1000-5000 |
10—50 |
800 |
|
Иллит ...................................... |
20x20X 1 |
1000—5000 |
5 0 -5 0 0 |
80 |
|
Каолинит .................................. |
ЮХЮХ1 |
1000-20 000 |
100— 1000 |
10 |
|
1 В. В. О х о т и н |
и др. Гранулометрическая |
классификация |
грунтов, |
||
2 Фотографии взяты |
из книги проф. В. К. Н о и ^ Ь Вазю 8Ы1$ ЕпдЬ |
пеепп§г, |
N. V., 1957. |
Приведенные фотографии, а также снимки в электронном микроскопе частиц других глинистых минералов (иллита, монт мориллонита, биотита и др.) показывают, что почти все они имеют ярко выраженную пластинчатую форму или в отдельных случаях форму длинных плоских иголок. Удельная поверхность этих частиц (табл. 2) очень велика и зависит не только от их крупности, но и от минералогического состава.
Рис. 2. Пластинчатая форма частиц каолинита
Таким образом, по верхность очень тонких глинистых фракций (например, монтмориллонитовых глин) дости
гает |
нескольких |
сотен |
|||
квадратных |
метров на |
||||
! г грунта. |
|
|
|
||
Важно также отме |
|||||
тить, |
что |
кристаллы |
|||
группы |
монтморилло |
||||
нита |
не |
только |
имеют |
||
наибольшую |
удельную |
||||
поверхность, |
но и |
наи |
|||
большую |
адсорбцион• |
||||
ную |
способность |
и |
|||
свойство |
сильно |
набу |
|||
хать |
в воде, втягивая |
молекулы воды внутрь кристаллической ре шетки минерала.
На рис. 4 изображе но строение кристалли-
Каолинит
Рис. 3. Игольчатая форма частиц аттапуль-
гита
Монтмориллонит
Рис. 4. Строение кристаллической решетки
ческой решетки (молекулярной структуры) каолинита, имеюще го пять слоев атомов при неподвижной кристаллической решет ке, и монтмориллонита с семью слоями атомов и подвижной кристаллической решеткой. Причем связь между пакетами ато мов монтмориллонита ослаблена, так как слои атомов двух со седних пакетов обращены друг к другу одноименно заряжен ными атомами кислорода с наличием отталкивающих сил межд\ ними, куда и проникают молекулы воды, раздвигая кристалли ческую решетку монтмориллонита.
Различие не только в удельной поверхности, но и в молеку лярной структуре глинистых минералов создает различия в их взаимодействии с водой, второй составной частью любых при родных грунтов.
Вода в грунтах, ее виды и свойства
В природных грунтах всегда содержится некоторое количе ство воды. Вода может находиться в различных состояниях при этом, чем дисперснее грунт, тем влияние воды на его свойства будет больше.
Следует различать несколько категорий воды в грунтах Впервые в 1889 г. в России классификацию видов воды в грун тах и почвах дал С. Богданов. Большим вкладом в изучение воды в грунтах является классификация видов воды, предло женная в 1918 г. проф. А. Ф. Лебедевым, который на основе своих экспериментальных исследований (1926—1936 гг.) развил стройную теорию передвижения грунтовых вод1. Огромной за слугой А. Ф. Лебедева является разработка им вопроса о мо лекулярно-связанной воде, удерживаемой молекулярными сила ми на поверхности минеральных частиц грунта.
По Лебедеву можно различать следующие главнейшие видь воды в грунтах и почвах при температуре выше 0°: водяной пар, гигроскопическая вода, пленочная и гравитационная.
В о д я н о й пар заполняет все свободные пустоты грунта, в котором передвигается из областей с повышенным давлением в области с более низким давлением. Одной из причин образо вания грунтовых вод, особенно в глубоких горизонтах, А. Ф. Ле бедев считает конденсацию перемещающихся в грунте паров воды.
Г и г р о с к о п и ч е с к а я в о д а —это вода, конденсирующая ся на поверхности грунтовых частиц. Если сухой грунт помес тить во влажный воздух, то вес его будет увеличиваться, пока не достигнет некоторой величины, соответствующей максималь
1 А. Ф. Л е б е д е в . Передвижение воды в почвах и грунтах. Извести* Донского сельскохозяйственного ин-та, 1918. Е г о ж$. Почвенные и грунто вые воды, изд. 1, 2 и 3. Сельхозгиз; изд. 4. АН СССР, 1926— 1936
ной гигроскопичности. Максимальная гигроскопичность для раз личных грунтов имеет следующие значения: для песков — око ло 1%-, для пыли — до 7%,-для глины — до 17% от веса сухого вещества грунта.
Гигроскопическая вода может передвигаться в грунте, толь ко перейдя в парообразное состояние.
Пле но чна я вода по А. Ф. Лебедеву — это вода, удер живаемая в грунте молекулярным притяжением. Пленочная вода обволакивает частицы грунта и не может быть от них от делена ни давлением порядка десятков килограммов на 1 см2,
ни дренажем. Пленочная вода удаляется путем испарения лишь при высушивании грунта.
Влажность грунта, соответствующая максимальной толщине молекулярных пленок воды, по А. Ф. Лебедеву называется макс имальной м о л е к у л я р н о й в л а г о е мк о с т ь ю
г р у н т а .
На основании своих опытов проф. А. Ф. Лебедев пришел к заключению, что передвижение воды в пленочном состоянии возможно лишь при влажности, большей максимальной гигро скопичности и не превышающей максимальную молекулярную влагоемкость грунта; при этом вода перемещается от более влажных слоев к более сухим независимо от взаимного распо ложения слоев. Одной из основных причин перемещения воды в грунтах при неполном их насыщении следует считать молеку лярные силы притяжения водных пленок к поверхности грун товых частиц.
Количество молекулярно-связанной воды, содержащейся в данном грунте, и ее свойства существенно сказываются на фи зико-механических свойствах грунтов, о чем будет подробно сказано ниже.
Гра в ит а цио нна я вода — это вода с в о б о д н а я , не подверженная действию молекулярных сил притяжения к по верхности твердых частиц. На свойства и поведение гравитаци онной воды первостепенное влияние оказывают силы тяжести. К этой категории относят «подвешенные» (или капиллярные) и «текучие» (или собственно гравитационные) воды.
Ка пиллярна я вода — это вода, заполняющая частично или полностью поры грунта и имеющая поверхность, ограничен ную вогнутыми менисками. Уровень капиллярной воды в мелко дисперсных грунтах значительно выше уровня текучих грунто вых вод.
Выше уровня капиллярной воды поры грунта представляют собой сплошные воздушные ходы. В механике грунтов до не давнего времени-.часто принимали, что высота капиллярного поднятия обусловливается подъемной силой менисков воды.
Как показали новейшие исследования, поднятие капиллярной воды происходит за счет энергии гидратации ионов и молекул на пограничной поверхности твердой и жидкой фаз, при этом образование вогнутых менисков воды в промежутках между твердыми частицами грунта представляет собой в т о ри чн о е явление. Не вдаваясь в рассмотрение электрохимической природы капиллярности, отметим лишь, что результирующее действие капиллярных сил можно рассматривать как силы по верхностного натяжения менисков воды, удерживающих подня тый столб воды. При неполном насыщении грунта мениски воды образуются внутри грунта, при полном же насыщении — на по верхности уровня капиллярной воды.
В капиллярных трубках силы поверхностного натяжения воды (или так называемые капиллярные силы) зависят от кри-. визны ограничивающих воду поверхностей и могут достигать значительной величины.
Если, например, в широкий сосуд с водой опустить тонкую трубку из материала, смачиваемого водой, то, как известно из физики, уровень воды в трубке будет выше, чем в сосуде, вслед ствие явления волосности, или капиллярности. Сила капилляр ного натяжения воды, отнесенная к единице круглого попереч ного сечения капиллярной трубки, может быть определена по
формуле Лапласа |
|
|
|
где г |
— радиус кривизны мениска, равный радиусу капилляр |
||
|
ной трубки; |
|
|
|
а — поверхностное натяжение воды, равное 0,000075 кг1см. |
||
При диаметре капилляра ^= 0,01 |
см и, следовательно, ра |
||
диусе |
г= 0,005 см сила |
капиллярного |
натяжения по формуле |
(1) будет равна #= 0,03 |
кг/см2, а при большем радиусе — еще |
меньше, т. е. при диаметре капилляра, примерно равном диамет ру зерен даже самого мелкого песка (й= 0,01 см), не говоря
уже о песках средних и крупных, сила капиллярного натяжения ничтожна и в инженерных расчетах может не учитываться. Иное дело, когда грунты тонкодисперсные, например глинистые, у которых могут быть весьма малые размеры капилляров и, следовательно, будет большое натяжение капиллярной воды. Так, при диаметре с? = 0,005 мм будет иметь #= 0,6 кг/см2, а при диаметре капилляра с? = 0,0002 мм натяжение будет равно #=15 кг!см2.
Приведенные примеры показывают, что для мелких грунто вых частиц (измеряемых микронами) капиллярное натяжение может иметь существенное значение.
Следует, однако, заметить, что в природных грунтах поры имеют лишь весьма отдаленное сходство с капиллярными труб-