1. Происхождение, состав и структура грунтов

По своему происхождению и условиям формирования грунты разделяются: 1) на континентальные отложения: элюви­альные (залегающие в месте первона­чального их возникновения); делювиальные (располагающиеся на склонах той же возвышеннос­ти, где они и возникли, и перемещаемые только под действием силы тяжести и смыва атмо­сферными водами); аллювиальные (перено­симые водными потоками на значи­тельные расстояния, образующие мощные слои­стые толщи); ледниковые (в ре­зультате действия лед­ников) - валунные глины и суглинки (морены); водно-леднико­вые - пески и галечники; озерно-ледниковые - ленточные глины, суг­линки и супеси; эоловые (продукты физического вывет­ривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными тече­ниями) - лёссовые и пески дюн и барханов;

2) на морские от­ложения: толщи дисперсных глин, органогенных грунтов-раку­шечников и др.; органоминеральные образования - илы, заторфованные грунты и т. п.; различные пески и галечники.

Из приведенного краткого перечня грунтовых отложений видно, на­сколько разнообразен состав природных грунтов и сложна их физическая при­рода.

В состав природных грунтов входят разнообразнейшие элемен­ты, которые можно объединить в следующие три группы:

• твердые минеральные частицы;

• вода в различных видах и состояниях;

• газообраз­ные включения.

Кроме того, в состав некоторых грунтов входят и органиче­ские и органо-ми­не­ральные соединения, также влияющие на физические свой­ства этих грунтов.

Структура грунтов определяется взаимным расположением зёрен, величиной пористости, количественным соотношением состава, формой зерен и пор. Сы­пучие грунты имеют зернистую структуру двух видов: плотную и рыхлую.

В связных грунтах наблюдаются четыре структуры:

• ячеистая - свойственна пылеватым грунтам, илам, образовавшимся пу­тем осаждения из воды;

• хлопьевидная - у глинистых грунтов осадочного происхождения, содер­жа­щих в значительном количестве чешуйча­тые частицы;

• комковатая - у верхних слоев связанных грунтов, подвергающихся про­цессам почвообразования;

• сотообразная - наблюдаемая в лессах и лессовидных суглинках.

2. Физические свойства грунтов

Степень уплотненности грунта в условиях природного залегания оценива­ется на основе целого ряда физических характеристик, выявляемых путем постанов-ки опытов в полевых условиях или испытания в лабораториях образцов грунта с ненарушенной структурой.

Будем рассматривать едини­цу объема рыхлого грунта, представив его как на рис. 2.1, и введем следующие обозначения: V- полный объем образца (еди­ница); V₀ - объем твердых частиц (скелета) грунта; V₁ - объем пор; V₂ - объем воды в порах; Q₀ - вес скелета грунта; Q₂ - вес воды в порах; Q - полный вес образца.

V₁

V₂

Q₂

Q

V

V₀

Q₀

Рис. 2.1. Схематическое разделение объема грунта

1.Объемный вес грунта - отношение веса всего грунта (с водой) к его объему: . (2.1)

Величину определяют в лаборатории. Она изменяется в широких преде­лах (от 1,5 до 2 и более т/м³), так как зависит от плотности и от влажности грунта.

2. Удельный вес грунта - отношение веса твердых частиц к их объему, опреде­ляемый в лаборатории, для различных грунтов изменяется в довольно малых пределах (2,6 - 2,8 т/м³):

(2.2)

3. Весовая влажность грунта - отношение веса воды к весу твердых частиц (скелета) грунта - определяемая в лаборатории, выражается в процентах и чаще всего составляет 15 - 50%, а в илах и до 250%.

W = (2.3)

Характеристики, указанные под номерами 1-3, опреде­ляются из опытов в ла­бораториях и являются основными. По основным характеристикам путем вы­числений определяют вспомо­гательные характеристики под номе­рами 4-7.

4. Объемный вес водонасыщенных (глинистых) грунтов, не находящихся во взвешенном состоянии вычисляют по формуле

(2.4)

где - объемный вес свободной грунтовой воды; п – пористость грунта.

Для песчаных и илистых водонасыщенных грунтов, где твердые частицы на­ходятся во взвешенном состоянии,

(2.5)

5. Объемный вес грунта, не содержащего в порах влаги, т. е. объемный вес скелета грунта, определяется по формуле

(2.6)

Из формулы (2.6) следует (2.7)

6. Пористость n – отношение объёма пор V₁ ко всему объёму образца V.

n = V₁/ V

Сумма объёмов твердых частиц V₀ и пор V₁ равна полному объёму грунта V, т.е. V₀ + V₁ = V. Следовательно, если обозначить через m = V₀ / V – отношение объёма скелета грунта ко всему объёму образца то

m + n =1 и (2.8)

7. Коэффициент пористости – отношение объёма пор к объёму скелета грунта

(2.9)

8. Полная влагоёмкость грунта – влажность, соответствующая полному за­полнению пор водой.

(2.10)

9. Коэффициент влажности – отношение природной влажности грунта к его полной влагоёмкости

(2.11)

Из соотношения (2.11) вытекает, что коэффициент влажности грунтов G мо­жет изменяться от нуля, когда W = 0 до 1, когда W = W_m.

В зависимости от степени заполнения водой песчаные грунты подразделя­ются на следующие категории: 1) G < 0,5 – грунт первой категории; 2) G = 0,5 – 0,8 – грунт влажный, 3) G > 0,8 – грунт насыщенный водой.

10. Консистенция связных грунтов. К связным грунтам относятся глины, суглинки и супеси. Консистенция связных грунтов измеряется величиной

(2.12)

где W_P – влажность грунта на границе раскатывания, когда образец, раска­танный в шнур диаметром 2 мм, распадается на куски;

W_П – число пластичности (W_П = 1 –7 – супесь; W_П = 7 –17 –суглинок; W_П > 17 –глина).

11. Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду. Количественным показателем степени водопроницаемости грунта служит коэффициент фильтрации К_ф, равный скорости фильтрации при гидравлическом уклоне, равном единице.

Скорость фильтрации q в песках и глинах, подчиняющаяся закону Дарси (ламинарное движение), равна

(2.13)

где h₁ – h₂ – гидравлический напор; h₁ – h₂ / l – гидравлический уклон; l – расстояние между рассматриваемыми точками.

В таблице 2.1 приведены численные значения коэффициентов фильтрации различных грунтов.

Таблица 2.1

Наименование грунта	КФ, см/сек
Средний и крупный гравий	(1 – 5)10 -2
Мелкий гравий и крупный песок	(1 – 5)10 -3
Среднезернистый песок с примесью глины	(1 – 10)10 -4
Мелкий песок с примесью глины	(5 – 10)10 -5
Суглинки	(1 – 1000)10 -8
Глина пластичная	610 -12

Задача 2.1. Определить физические свойства образца грунта ненарушенной структуры и его консистенцию при следующих исходных данных: вес скелета грунта – Q₀ = 100 г; полный вес образца - Q = 120 г; вес воды в порах Q₂ = 8 г; объём твердых частиц грунта – V₀ = 35,09 см³; полный объём образца - V = 64,52 см³; влажность грунта на границе раскатывания - W_P =10%; влажность грунта на границе текучести - W_T = 18%.

Решение

1. Объёмный вес грунта -

2. Удельный вес грунта -

3. Весовая влажность грунта -

4. Объёмный вес скелета грунта -

5. Пористость грунта -

6. Коэффициент пористости -

7. Объёмный вес грунта в водонасыщенном состоянии -

8. Число пластичности – W_П = W_Т – W_Р = 18 – 10 = 8%;

9. Коэффициент консистенции - < 0.

Значения числа пластичности и коэффициента консистенции указывают на то, что грунт в данном примере является суглинком твердой консистенции;

10. Полная влагоёмкость грунта-

Задача 2.2. Определить физические свойства мелкого песка при следующих исходных данных: вес скелета грунта – Q₀ = 100 г; полный вес образца - Q = 125 г; вес воды в порах Q₂ = 14 г; объём твердых частиц грунта – V₀ = 37,04 см³; полный объём образца - V = 67 см³.

Решение

1.Объёмный вес грунта -

2.Удельный вес грунта -

3.Весовая влажность грунта -

4.Объёмный вес скелета грунта -

5.Пористость грунта -

6.Коэффициент пористости - согласно классифика­ции, представленной в курсе лекций, при e = 0,65 песок отно­сится к категории средней плотности;

7.Степень влажности песка - т.е. песок влажный;

8.Объёмный вес песчаного грунта во взвешенном состоянии –