ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по Механике грунтов
для студентов курса специальностей 270102
Шахты 2006
Тема 1. Основы генетического грунтоведения
1.1. Введение
Природные грунты образовались в результате физического и химического выветривания горных пород. В процессе образования грунтов и в последующих условиях существования в зависимости от внешних условий формировались их свойства. Возраст природных грунтов в большинстве случаев (за исключением современных отложений) значителен и измеряется тысячелетиями, миллионами и сотнями миллионов лет (например, возраст кембрийских глин около 500 млн. лет).
За длительное время существования грунтов происходило многократное изменение природной обстановки, неоднократное переотложение, уплотнение под действием веса новых покровных отложений, разуплотнение при эрозии этих отложений, иногда затопление водой и при тектонических поднятиях новое осушение и т. п. Некоторые грунты подверглись давлению мощных слоев континентальных льдов, переносу льдом, водой, воздушными течениями и т. п. Все это создает невоспроизводимые искусственно условия формирования природных грунтов, определяющие особенности физических свойств отдельных их видов. За длительное время существования пород могут иметь значение и весьма медленные физико-химические процессы, протекающие в грунтах даже с ничтожно малой скоростью.
Все изложенное обусловливает необходимость рассматривать природные грунты в полном взаимодействии их с окружающей физико-геологической средой и с учетом непрерывности изменений их свойств, часто весьма медленных, но иногда и быстро протекающих.
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 и 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.; органо-минеральные 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.
1.2. Состав грунтов
В состав природных грунтов входят разнообразнейшие элементы, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы: 1 – твердые минеральные частицы; 2 – вода в различных видах и состояниях; 3 – газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения, также влияющие на физические свойства этих грунтов, что будет рассмотрено в специальном разделе.
Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров – галечники, до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мкм – дисперсные глины) твердых минеральных зерен.
Весьма существенным фактором в оценке свойств твердых грунтовых частиц является их минералогический состав. Так, одни минералы (кварц, полевой шпат) менее активно взаимодействуют с водой, окружающей минеральные частицы, другие (монтмориллонит) значительно сильнее, причем и характер взаимодействия их будет иным. Чем мельче частицы грунта, тем больше их удельная поверхность (на 1 см3 или на 1 г) и больше возникает центров взаимодействия как с окружающей твердые частицы водой, так и в контактах самих твердых частиц. Например, частицы глинистого минерала каолина имеют удельную поверхность 10 м2/г, а монтмориллонита - 800 м2/г, т. е. огромную поверхность, измеряемую сотнями квадратных метров в 1 г грунта, что, несомненно, сказывается и на свойствах природных грунтов, содержащих частицы монтмориллонита. Наличие в грунте частиц слюды (очень скользких, в массе ничтожно сопротивляющихся сдвигу) также существенно сказывается на физических свойствах такого вида грунтов, что и необходимо учитывать.
Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам минеральных частиц разделяются (по СНиПу) на следующие виды.
1. Крупнообломочные грунты (валунные, галечниковые – при окатанной форме частиц и щебенистые – при остроугольной) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по весу (по массе).
2. Песчаные грунты с содержанием частиц: крупнее 2 мм более 25% по весу (по массе) – гравелистые; крупнее 0,5 мм более 50% по весу (по массе) – крупнозернистые (кр/з); крупнее 0,25 мм более 50% по весу (по массе) – среднезернистые (ср/з); крупнее 0,10мм более 75% по весу (по массе) – мелкозернистые (м/з); крупнее 0,10 мм менее 75% по весу (по массе) – пылеватые (пески). (За песчаные частицы при этом принимают все частицы размером более 0,05 мм, а за пылеватые – от 0,05 до 0,005мм.)
3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по величине, форме и минералогическому составу не разделяются на группы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов относят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мкм до нескольких микрометров.
Содержание в грунте по весу (массе) того или иного количества глинистых частиц вследствие чрезвычайной их дисперсности, позволяющей им обволакивать твердые песчаные зерна и включения в грунтах, весьма существенно сказывается на физических свойствах грунтов; наименование таким глинистым грунтам придается (см. ниже § 4) в зависимости от суммарного содержания глинистых частиц в грунте, за которые принимают все частицы размером менее 5 мкм (<0,005 мм).
Глинистые частицы в отличие от песчаных, имеющих компактную форму, разнообразны по форме и представляют собой тонкие чешуйки, толщина которых в 10 – 50 раз меньше их большего размера, а форма может быть как многоугольной (у каолинитов, рис. 1), так и игольчатой (у аттапульгитов, рис. 2).
Следует также отметить существенное значение и минералогического состава глинистых частиц. Так, кристаллы монтмориллонита (из которых состоят монтмориллонитовые глины) обладают подвижной кристаллической решеткой, способной при соответствующих условиях втягивать внутрь кристаллов молекулы воды и значительно набухать, увеличиваясь в объеме, тогда как частицы каолинита, аттапульгита и гидрослюд такими свойствами обладают значительно меньше. Все изложенное в высокой степени сказывается на свойствах природных глинистых грунтов.
Рис. 1. Пластинчатая многоугольная форма частиц каолинита
Рис. 2. Игольчатая форма частиц аттапульгита
Вода в грунте, ее виды и свойства могут быть весьма различными в зависимости от ее содержания в грунте и величины сил взаимодействия с минеральными частицами, определяемой, главным образом, гидрофильностью минеральных частиц.
Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а молекулы воды представляют диполи, заряженные положительно на одном (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода) конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возникают электро-молекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности минеральных частиц с огромной силой (особенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество молекул воды будет находиться в связанном состоянии. Электро-молекулярные силы взаимодействия, по современным данным, очень велики и у поверхности минеральных частиц (для первого ряда связанных молекул воды) составляют величину порядка нескольких тысяч килограмм-сил (ньютонов) на 1 см2. По мере же удаления от поверхности твердых частиц они быстро убывают и на расстоянии, равном примерно 0,5 мкм, становятся близкими к нулю. Самые близкие к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул воды, соприкасающиеся с твердой поверхностью, настолько связаны электро-молекулярными силами притяжения с поверхностью, что их не удается удалить ни внешним давлением в несколько атмосфер, ни действием напора воды, и эти слои образуют пленки так называемой прочно-связанной адсорбированной воды.
Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные частицы, будут связываться и ориентироваться граничной фазой по мере удаления от твердой поверхности грунтовых частиц все меньшими силами; они образуют слои рыхло-связанной (или сорбированной) воды, которые поддаются выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких кгс/см2 (иногда и до нескольких десятков кгс/см2 или МПа).
Наконец, молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц, будут образовывать свободную (по проф. А. Ф. Лебедеву) - гравитационную воду, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня грунтовых вод силами капиллярного натяжения воды (капиллярными менисками, образующимися под действием адсорбционных сил поверхности в тонких порах грунтов и обусловливающими капиллярные силы в грунтах).
На рис. 3 показана схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральных частиц с водой.
Газообразные включения (пары, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды, свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой, и, наконец, растворенными в поровой воде.
Рис. 3. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности минеральной частицы 1 с водой: 2 – вода связанная; 3 – вода рыхлосвязанная (осмотическая); 4 – вода свободная
Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта.
Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений между частицами грунта.