6.2. Строительные свойства грунтов

Грунт – сложная 3х фазная система, состоящая из твёрдых частиц горных пород, воды и газа (воздуха). Объем грунта зависит от объема составляющих его фаз.

Vгр.=Vтв.+Vводы+Vвозд.

Различают два класса грунтов:

- класс грунтов с жесткими структурными связями – класс скальных грунтов;

- класс грунтов без жестких структурных связей – класс нескальных (рыхлых) грунтов.

Скальные грунты по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rс , МПа, подразделяются на:

- очень прочные (Rс > 120);

- прочные (120 ≥ Rс > 50);

- средней прочности (50 ≥ Rс > 15);

- малопрочные (15 ≥ Rс ≥5);

Полускальные грунты:

- пониженной прочности (5 > Rс ≥ 3);

- низкой прочности (3 ≥ Rс ≥ 1);

- весьма низкой прочности (Rс < 1).

К скальным грунтам относятся породы: магматические (граниты, диориты, порфиры, долериты, базальты), метаморфические (гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы, мраморы), осадочные (крепкие известняки, доломиты и песчаники с кремнистым цементом). В монолитном состоянии они характеризуются следующими значениями физико-механических характеристик: плотность грунта 2,50-3,10 т/м³; пористость < 0,01; сопротивление разрыву ≥ 1МПа.

Полускальные грунты обладают жесткими кристаллическими связями и пластичными коллоидными связями. Это раздробленные выветрелые скальные магматические и метаморфические породы, а также осадочные: глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, песчаники, конгломераты на глинистом цементе, мелы, мергели, некоторые виды известняков и доломитов, туфы, гипсы и др. В монолите они характеризуются следующими значениями физико-механических характеристик: плотность грунта 2,20-2,65 т/м³; пористость до 0,15; сопротивление разрыву 0,1-1 МПа.

Нескальные грунты в природных условиях залегают в виде несцементированных между собой частиц различной крупности. Одной из важных характеристик этих грунтов является гранулометрический состав – количественное сочетание в грунте частиц различной крупности в процентах (Рис.6.4). В зависимости от гранулометрического состава нескальные грунты подразделяются на крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты.

Рис. 6.4 Гранулометрический состав грунтов

К крупнообломочным и песчаным грунтам относятся грунты с числом пластичности Ip<1, а именно: пески, гравий, галечник, т.е. грунты, не обладающие или обладающие очень слабыми связями между зернами, их плотность 1,40-1,90 т/м³; пористость 0,25-0,40. Принятая номенклатура крупнообломочных и песчаных грунтов приведена в табл.6.1.

Таблица 6.1.

Наименование видов грунтов	Распределение частиц по крупности в % от массы сухого грунта
Крупнообломочные
Валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый)	Масса частиц крупнее 200мм составляет более 50%
Галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц – щебенистый)	Масса частиц крупнее 10мм составляет более 50%
Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц – дресвяный)	Масса частиц крупнее 2мм составляет более 50%
Песчаные
Песок гравелистый	Масса частиц крупнее 2мм составляет более 25%
Песок крупный	Масса частиц крупнее 0,5мм составляет более 50%
Песок средней крупности	Масса частиц крупнее 0,25мм составляет более 50%
Песок мелкий	Масса частиц крупнее 0,1мм составляет более 75% и более
Песок пылеватый	Масса частиц крупнее 0,1мм составляет менее 75%

Дополнительно песчаные грунты различаются по неоднородности гранулометрического состава, характеризуемой коэффициентом неоднородности

(6.2)

где - диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по массе) 60% частиц;

- диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 10% частиц;

Глинистые грунты – грунты, содержащие значительное количество глинистых частиц < 0,005 мм (Рис.6.4). Глинистые грунты обладают водоколлоидными структурными связями. В увлажненном состоянии они становятся пластичными. Такие грунты большей частью размокают, некоторые из них разбухают. Их плотность 1,10 – 2,10 т/м³; пористость от 0,25 до 0,80. К таким грунтам относятся глины, глинистые мергели, суглинки, супеси, лессы, в том числе просадочные.

В строительной практике эти грунты классифицируют в зависимости от содержания глинистых частиц:

• глинистые >60-30% (тяжёлые, лёгкие, песчаные),

• суглинистые 30-10% (тяжёлые, средние, лёгкие),

• супесчаные 10-3% (тяжёлые, лёгкие, пылеватые).

Пластические свойства глинистых грунтов оцениваются числом пластичности

; (6.3)

где - влажность на границе текучести, %; - влажность на границе раскатывания, %.

В зависимости от числа пластичности грунты подразделяются на виды согласно табл.6.2.

Таблица 6.2.

Наименование видов глинистых грунтов	Число пластичности
Супесь	1≤ ≤7
Суглинок	7< ≤17
Глина	>17

Важными свойствами грунтов является их водонепроницаемость, характеризуемая коэффициентом фильтрации – скорости фильтрации в грунте при градиенте напора, равном единице (таблица 6.3.). Эта характеристика важна не только при конструировании земляных сооружений, но и при решении вопросов организации и технологии ряда работ, в частности, при возведении перемычек, организации водоотлива и др.

Таблица 6.3.

Наименование грунта	Коэффициент фильтрации, м/сутки
Гравий
чистый	200-100
с песком	150-75
Песок
крупный гравелистый	100-50
крупный	75-25
средний	25-10
мелкий	10-2
мелкозернистый глинистый	2-1
Супесь	0,7-0,2
Суглинок	0,4-0,065
Глины	0,005 и меньше

Состояние и свойства грунтов и пород изменяются во времени как под воздействием природных факторов, так и под влиянием деятельности человека. Подробным изучением свойств грунтов занимаются специальные дисциплины: инженерная геология, грунтоведение и механика грунтов. Здесь же отметим только свойства, которые важны в строительстве и существенно влияют на трудность и условия разработки грунтов.

Наиболее важными показателями физических свойств грунтов, помимо их гранулометрического состава являются: плотность, влажность, внутреннее трение и сцепление.

Плотность – это масса грунта в единице объёма. Различают три категории плотности:

- плотность грунта (вместе с водой); (6.4)

- плотность сухого грунта или скелета; (6.5)

- плотность твердых частиц грунта; (6.6)

(минералогического состава) ≈ 2,4÷2,8. (6.7)

где – масса грунта; – объём грунта; – масса твердых частиц; – объём твердых частиц.

Производными этих характеристик являются:

а) Пористость: , (6.8)

где - объем пор, - объем грунта.

Аналогично для твердых частиц: , (6.9)

б) Коэффициент пористости – e: (6.10)

Для оценки плотности сложения несвязных грунтов значений , n, e недостаточно, т.к. плотность сложения зависит еще и от формы частиц и даже одинаковые по зерновому составу грунты могут в одном и том же состоянии по плотности сложения иметь различные , n, e. Поэтому для таких грунтов вводится дополнительная характеристика – показатель плотности сложения (относительная плотность сложения):

(6.11)

где -фактическое снижение коэффициента пористости по сравнению с максимальным,

- полное возможное изменение коэффициента пористости,

и - коэффициенты пористости грунта в максимально плотном и рыхлом состояниях,

- коэффициент пористости в естественных условиях основания (или сооружения).

При - самое рыхлое сложение, при - самое плотное сложение.

При - грунты рыхлые, при - грунты средней плотности, при - грунты плотные.

Существенное влияние на свойства грунтов и условия их разработки оказывает влажность. Влажность грунтов W – это соотношение массы воды Мв и массы твердых частиц (Мсух.гр.)

(6.12)

Она изменяется от 5 до 60% (5%-сухие грунты, от 5 до 30%-влажные, 30%-мокрые) (табл.6.4.). С изменением влажности изменяется трудность разработки грунтов. Труднее разрабатываются сухие грунты и повышенной влажности. Наиболее существенное влияние влажность играет при уплотнении грунтов. Чем больше глинистых и пылеватых частиц в грунте, тем большее количество влаги удерживается в его порах.

Таблица 6.4

Вид грунта	Характерная естественная влажность ест, %	Пластические свойства		Число пластичности Jp	Влажность при наибольшей липкости
Супесь	10-15	Слабо пластичный		0-7	20-25
Суглинок	20-28	Пластичный		7-17	25-30
Глина	25-35	Высоко пластичный		>17	35-45

Для крупнообломочных и песчаных грунтов применяется классификация по степени влажности грунтов – доли заполнения пор водой (табл.6.5.).

Таблица 6.5.

Наименование крупнообломочных и песчаных грунтов по степени влажности	Степень влажности
Маловлажные	0< ≤0.5
Влажные	0.5< ≤0.8
Насыщенные водой	0.8< ≤1.0

Степень влажности определяется по формуле

, (6.13)

где W – природная влажность грунта, доли единицы; - плотность частиц грунта, т/м³; - плотность воды, принимаемая равной 1 т/м³; - коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности.

В процессе разработки частицы грунта отделяются друг от друга и вследствие менее плотного прилегания после разработки занимают больший объём, с соответствующим уменьшением средней плотности. Это свойство грунтов называется разрыхляемостью и характеризуется коэффициентом разрыхляемости kp.

(6.14)

где: Vp – объём грунта после разработки (рыхлого)

Ve – объём грунта в естественном состоянии до разработки

Наибольшее разрыхление имеют скальные грунты (1,4;1,5), наименьшее – пески (1,081,17). (Таблица 6.6.) Разрыхление грунтов необходимо учитывать в течение всего технологического процесса при разработке, погрузке, транспортировке, укладке и уплотнении. Различают первичное и остаточное разрыхление.

Таблица 6.6. Коэффициенты разрыхления основных грунтов

Грунты	Коэффициенты разрыхления
	Первоначальный	Остаточный
Песок и супесь Гравий Глина, суглинок Глина, суглинок тяжелые с примесью щебня и гравия Лёс Растительный грунт Скальные разрыхленные грунты	1,08 – 1,17 1,20 – 1,30 1,24 – 1,30 1,26 – 1,32 1,14 – 1,28 1,40 – 1,5	1,01 – 1,025 1,03 – 1,04 1,04 – 1,07 1,06 – 1,09 1,015 – 1,05 1,20 – 1,30

Трудность разработки и перемещения грунта сильно зависит от таких показателей как внутреннее трение и сцепление (табл.6.7). Показателем трудности разработки грунта землеройными машинами служит удельное сопротивление грунта резанью kр кгс/см2 и сопротивление грунта копанию kк кгс/см2.

kр, kк = (f, fм, c), (6.15)

где f – коэффициент внутреннего трения грунта по грунту; fм – коэффициент внутреннего трения грунта по металлу; с – сцепление частиц грунта.

В свою очередь: f = tg fм = tgм (6.16)

где:  – угол внутреннего трения грунта по грунту, м – угол внутреннего трения грунта по металлу.

В первом приближении можно принять: м = (0,50,75)

Таблица 6.7. Ориентировочные значения  и с.

Вид грунтов	Угол внутреннего трения , град	Удельное сцепление с, МПа
Песчаные гравелистые и крупные средней крупности мелкие пылеватые Глинистые при влажности на пределе раскатывания Wp % 9,5-15,4 15,5-22,4 22,5-30,4	43-38 40-35 38-32 36-30 25-21 22-17 18-15	0,001 0,002-0,001 0,003-0,001 0,004-0,002 0,006-0,003 0,025-0,009 0,041-0,023

Сопротивление грунта резанию и копанию можно снизить предварительным рыхлением или увлажнением грунта. Увлажнение следует производить с таким расчётом, чтобы грунт не налипал на рабочие органы, и не затруднялось передвижение механизмов по поверхности забоя.

Для выбора типа машины при разработке грунтов весьма важной их характеристикой является способность грунтов выдерживать нагрузки от передвигающихся и работающих машин – так называемая несущая способность грунтов (Рн). Несущая способность – это удельная нагрузка на грунт, при которой отсутствует выпор грунта.

Рн = (f, c, )

Реальная нагрузка на грунт Р от гусеничных машин должна быть меньше Рн

Р  (0,60,8)Рн

Грунты в состоянии обычной естественной влажности обладают довольно хорошей несущей способностью. Однако с увеличением влажности прочность грунтов резко снижается (табл.6.8.).

Таблица 6.8.

Прочность грунтов на сжатие, МПа.

Грунты	Влажность
	естественная	высокая
Пески
крупные	0,35-0,45	0,35-0,45
средние	0,25-0,35	0,25-0,35
мелкие	0,20-0,30	0,15-0,25
супеси	0,25-0,30	0,2-0,3
суглинки	0,20-0,30	0,1-0,25
глины	0,25-0,60	0,1-0,4
торфяники	0,02-0,06	0,01-0,015

Классификация грунтов по трудности разработки

Едиными нормами и расценками (ЕНиР) предусматривается разделение грунтов по трудности разработки на отдельные группы.

Группы грунтов зависят не только от типа грунта, но и от способа его разработки и типа применяемых машин.

В таблице 6.9. приведены группы грунтов по трудности и разработки основными землеройными машинами.

Таблица 6.9. Группы грунтов по трудности разработки

Наименование грунта	Разработка грунта						Разрабо-тка мерзлого грунта
	экскаваторами		Скре-пера-ми	Буль-дозе-рами	Грей-дерами	Бурильно-крановыми машинами
	Одно-ков-шовы-ми	Многоко-вшовыми траншей-ными
1	2	3	4	5	6	7	8
Глина ломовая	lV	-	-	lll	-	ll	lllм
То же, жирная без примесей	ll	ll	ll	ll	ll	l	lllм
Гравийно-галечниковые грунты с размером частиц до 80 мм	l	-	ll	ll	lll	-	-
Растительный грунт без корней и примесей	l	l	l	l	l	l	-
Лёсс мягкий без примесей	l	ll	l	l	l	l	lм
Лёсс твердый	lV	-	ll	lll	-	-	-
Песок без примесей	l	ll	ll	ll	ll	l	lм
Скальные грунты, предварительно разрыхленные (кроме отнесенных к lV и V группам)	Vl	-	-	-	-	-	-
Суглинок лёгкий и лёссовидный без примесей	l	l	l	l	l	l	llм
Суглинок тяжелый без примесей	lll	-	-	ll	-	-	lllм
Суспесь без примесей	l	ll	ll	ll	ll	ll	lм
Торф без корней	l	l	l	l	l	l	llм