1. Предмет и задачи механики грунтов

1.1 Грунты и горные породы. Общая классификация грунтов

Грунты  это любые горные породы или техногенные образования, залегающие с поверхности и используемые в инженерной деятельности человека.

Горная порода  встречающаяся в природе совокупность минералов.

Минерал  природное тело, однородное по химическому составу, внутреннему строению и физическим свойствам.

Минералы и горные породы изучают в курсе «Инженерной геологии», которая обычно предшествует дисциплине «Механика грунтов» на строительных факультетах технических вузов. Что касается непосредственно грунтов, то в геологии дается представление об их природе, условиях образования и физике происходящих в них процессов. «Механика грунтов» рассматривает грунтовые массивы и связанные с ними процессы, прежде всего, с позиций механики, отсюда и название дисциплины.

Грунты, как и горные породы, состоят из минералов. Различие в понятиях грунт и горная порода в основном терминологическое. Термин «горная порода» подразумевает изучение минералогического состава, генезиса, возраста, физико-геологических процессов, характерных для данной породы. Термин «грунт» означает, что исследуются его свойства как объекта строительства  прочность, деформируемость, а также вопросы теоретического анализа и прогноза поведения грунта под нагрузкой. Кроме того, как следует из определения, грунты могут быть техногенными, в то время как горные породы  это природные образования.

Существует различие и в классификации. Напомним, что горные породы делят по происхождению на три большие группы

• магматические, образовавшиеся в результате остывания магмы, либо лавы (гранит, базальт, вулканический туф);

• осадочные, образовавшиеся в результате выветривания, т.е. разрушения под действием экзогенных (внешних) факторов, ранее существовавших пород, переносе и отложении продуктов выветривания (песок, глина, песчаник, мел, торф);

• метаморфические, образовавшиеся в результате коренного преобразования ранее существовавших пород под действием эндогенных, т.е. внутренних факторов таких, как высокая температура, высокое давление и др. (мрамор, кварцит, кристаллические сланцы).

Грунты классифицируют, прежде всего, с позиций оценки их механических свойств и природы прочности связей между частицами, поскольку именно связи обычно определяют механические свойства грунта в целом. Всего выделяют четыре класса грунтов [11]:

• природные скальные;

• природные дисперсные;

• природные мерзлые;

• техногенные.

Природные скальные грунты характеризуются наличием прочных и жестких связей кристаллизационного (гранит, мрамор) или цементационного типа (песчаник, известняк). Эти грунты могут быть представлены магматическими, метаморфическими или осадочными сцементированными породами.

Природные дисперсные грунты либо обладают слабыми водноколлоидными связями (супесь, суглинок, глина), либо связи между частицами вообще отсутствуют (пески, щебень). По этому признаку их делят на связные и несвязные. Связи между частицами дисперсных грунтов характеризуются тем, что при водонасыщении они резко теряют свою прочность. Но даже в сухом или маловлажном состоянии они, как правило, на порядки слабее связей в скальных грунтах. Эти грунты представлены осадочными рыхлыми, т.е. несцементированными, и органогенными породами (торф, ил, почва). Дисперсные грунты еще называют нескальными.

Природные мерзлые грунты  это грунты, находящиеся при отрицательной температуре и имеющие криогенные связи, т.е. сцементированные льдом. Ясно, что мерзлые грунты также отличает по сравнению с дисперсными значительная прочность и малая деформируемость. Главная опасность при использовании мерзлых грунтов  это резкое ухудшение прочностных и деформационных свойств при оттаивании. Как следует из определения, мерзлыми могут быть любые породы при отрицательной температуре.

Техногенные грунты созданы, либо преобразованы человеком. Они могут быть скальными (естественные грунты, закрепленные твердеющими растворами), дисперсными (земляное полотно железных и автомобильных дорог) и мерзлыми (искусственно промороженные при проходке тоннелей слабые водонасыщенные грунты).

В механике грунтов преимущественно исследуются дисперсные грунты  природные или техногенные. Помимо малой прочности и значительной деформируемости для них характерен целый ряд других неблагоприятных с точки зрения инженера-строителя явлений  просадочность, морозное пучение, набухание и т.д. Вместе с тем, именно с дисперсными грунтами чаще всего приходится сталкиваться при строительстве железных дорог. Основные физико-механические свойства мерзлых грунтов также будут нами рассмотрены в соответствующих параграфах. Что касается скальных грунтов, то они являются предметом изучения специальной дисциплины «Механика скальных грунтов», имеющей важное значение для горной промышленности.

Таким образом, в дальнейшем для краткости дисперсные (нескальные) грунты мы будем называть просто грунтами, в противном случае будут сделаны соответствующие оговорки. При этом следует помнить, что понятие «грунт» является более широким согласно приведенным определениям и классификации.

Вопросы изучения работы грунтовых массивов ставятся инженерной практикой и определяются их взаимодействием с инженерными сооружениями. Введем два понятия, регулирующих отношения грунтов и сооружений.

Фундамент  подземная или подводная часть сооружения, воспринимающая нагрузку от сооружения и передающая ее на основание (рис. 1.1, а).

а)	б)	в)

Рисунок 1.1.  Грунты как основание (а), материал (б), среда для сооружений (в): 1  основание, 2  фундамент, 3  сооружение на грунтовом основании (мост), 4  сооружение, выполненное из грунта (железнодорожная насыпь),