7.2. Показатели состава - состояния глинистых грунтов и классификации по ним

Такие важные показатели, как плотность грунта ρ, плотность частиц ρ_s, влажность w определяются эспериментально и используются для всех грунтов. Расчетом по ним определяются производные показатели, широко используемые в строительных классификациях: плотность сухого грунта ρ_d, пористость n, коэффициент пористости е, коэффициент водонасыщения (степень влажности) S_r. Формулы для них приведены далее в примере выполнения самостоятельной работы; там же приведена классификация по коэффициенту водонасыщения (табл.7.2 – 7.10).

Как уже отмечалось, в зависимости от влажности глинистые породы могут находиться в текучем, пластичном и твердом состояниях (консистенциях). Поэтому для них важное значение в качестве показателей имеют так называемые характерные, или граничные влажности, соответствующие переходу из одного состояния в другое: предел текучести w_L и предел пластичности w_р. Разность пределов называется числом пластичности . По числу пластичности глинистые породы подразделяются на супеси, суглинки и глины (табл. 7.3 и 7.6). Сопоставление значений пределов и природной влажности грунта позволяет определить состояние грунта по влажности, т.е. консистенцию. При этом используется показатель текучести, определяемый по формуле:

.

Классификация по показателю текучести приведена в табл.7.7. Можно заметить, что для супесей она менее дробная, что объясняется их низкой пластичностью.

В природных условиях уплотнение грунта сопровождается отжатием из пор воды и соответственно снижением влажности. Поэтому уплотненность глинистого грунта и его консистенция взаимосвязаны. В качестве показателя уплотненности можно использовать плотность сухого грунта ρ_d; при этом граничные значения той или иной степени уплотнения дифференцируются по группам дочетвертичных (коренных) пород и четвертичных грунтов (табл.7.4). Более общий показатель уплотненности глинистых грунтов рассчитывается по формуле:

,

где е – коэффициент пористости природного грунта;

е_L и е_р – коэффициенты пористости этого же грунта в нарушенном (практически перемятом до безструктурной пасты) состоянии при влажностях, равных пределу текучести и пределу пластичности соответственно. Классификация уплотненности глинистых грунтов по показателю К_d приведена в табл.7.9.

7.3. Минералогический и гранулометрический составы глинистых грунтов

В состав глинистых пород входят первичные минералы (кварц, полевые шпаты, слюды и др.) и состоящие из них же обломки горных пород; глинистые (вторичные) минералы: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды; карбонаты и легкорастворимые соли; органическое вещество; вода.

По влиянию минералов на свойства грунта основное значение имеют глинистые, сосредоточенные в тонкодисперсной фракции глинистой породы (менее 0,002 мм). Условия образования, разновидности и свойства глинистых минералов описаны ранее (см. табл.1.1), поэтому здесь отметим лишь главное в их влиянии на свойства грунта.

Каолиниты имеют жесткую кристаллическую решетку, поэтому каолинитовые глины (каолины) малогидрофильны, их водопоглощение и связанное с этим увеличение объема (набухание) незначительны.

Минералы группы монтмориллонита, напротив, имеют подвижную кристаллическую решетку, так что вода легко проникает в межпакетное пространство. Соответственно монтмориллонитовые глины (бентониты) высокогидрофильны и при повышении влажности сильно набухают. Даже небольшое содержание монтмориллонита в полиминеральной глине резко повышает ее гидрофильность и набухаемость.

Гидрослюды представляют собой продукты различной степени гидратации слюд. По своим свойствам они занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом. Гидрослюдистые глины имеют наиболее широкое распространение.

Надежное определение минералогического состава глин требует применения сложных методов электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, термографии. Предварительное заключение о минералогическом составе можно сделать по значениям предела и числа пластичности: w_L = 30 – 50% , I_p ≤ 30% характерны для каолинитовых глин, а значения w_L = 60 – 70 и более, I_p > 30 – 40 % - для монтмориллонитовых. Также могут использоваться показатели гидрофильности и коллоидной активности (табл. 7.8).

Определение гранулометрического состава глинистых грунтов по сравнению с песчаными осложняется наличием в глинах наряду с простыми частицами их агрегатов различных размеров, по которым они могут относиться к песчаным, пылеватым и глинистым фракциям. При обычных способах подготовки грунта к анализу (растирание, взбалтывание, кипячение) разрушаются только наиболее слабые агрегаты. Полученные результаты дают микроагрегатный состав, тесно связанный с условиями диагенеза. Для установления собственно гранулометрического состава, характеризующего исходную дисперсность, разрушение агрегатов достигается с помощью химических реагентов – пептизаторов.

Классификация глинистых грунтов по микроагрегатному составу приведена в табл.7.2, а по числу пластичности и содержанию песчаных частиц – в табл. 7.3.

Преобладающее влияние на свойства грунта тонкодисперсной глинистой фракции связано с ростом удельной поверхности частиц при уменьшении их размеров: в бентонитах она достигает 600-900 м²/г. Вследствие адсорбции на поверхности глинистых частиц удерживается тонкий слой воды, более плотной по сравнению со свободной; она называется прочносвязанной или гигроскопической. Глина, в лабораторных условиях кажущаяся совершенно сухой, на самом деле может иметь гигроскопическую влажность до 15%, иногда и более. Далее от поверхности частицы располагается рыхлосвязанная, или пленочная вода, по своим свойствам близкая к обычной, но не перемещающаяся под действием силы тяжести и замерзающая при температуре –(3…4)^оС. Миграция пленочной воды возникает при различии в толщине ее слоев в различных областях грунта вследствие действия местной нагрузки, промерзания грунта и других причин; направлено движение всегда в область с меньшей толщиной пленки рыхлосвязанной воды.

Таким образом, для глинистых грунтов наряду с природной влажностью w и пределами w_L и w_р используются еще:

• влажность при условии S_r = 1, или полная влагоемкость грунта;

• максимальная гигроскопическая влажность;

• максимальная молекулярная влагоемкость w_м, характеризующая содержание всей связанной воды.

Если для сильно уплотненной глины w = w_м, то она содержит только связанную воду. Установлено, что приближенную оценку максимальной молекулярной влагоемкости, а также оптимальной влажности грунта при его уплотнении дает предел пластичности, т.е.: w_р ≈ w_м ≈ w_опт.

В оболочке связанной воды, называемой также диффузным слоем, содержатся ионы из состава минерала частицы и порового раствора. Это катионы натрия, калия, кальция, железа, алюминия и анионы хлора, сульфата, карбоната и др. При изменении состава порового раствора может происходить замещение одних ионов другими. Поэтому ионы диффузного слоя называются обменными. Максимальное их количество, способное к обмену в данных условиях, называется емкостью обмена. С ростом дисперсности, увеличением содержания глинистых минералов и особенно монтмориллонита емкость обмена увеличивается. Таким же образом влияет и содержание органики. Напротив, тонкодисперсный кварц в глинистой фракции понижает емкость обмена.

Глины с большими значениями числа пластичности называются жирными. Песчаные фракции в них отсутствуют. В противном случае глины называют тощими.

Ориентировочно название глинистой породы устанавливается простейшими испытаниями:

• растирание на ладони руки: для супеси хорошо ощущается преобладание песчаных фракций;

• скатывание комочка породы в проволоку, для супеси проволока распадается при диаметре 4..5 мм, глина легко раскатывается в тонкую (d < 1мм) проволоку;

• проба с шариком из влажной породы: при падении шарик из супеси растекается, а из суглинка и глины форму сохраняет; при сдавливании шарика в лепешку суглинок по краям трескается, глина нет;

• на поверхности породы плоскостью ногтя провести полосу; если след блестящий – глина жирная;

• при взбалтывании размельченного кусочка глины в стакане с водой отстаивание быстрое для тощей глины и медленное для жирной.

Особой глинистой породой является лёсс, в составе которого преобладает пылеватая фракция (до 80%, иногда больше). Характерные свойства и признаки лёсса:

• палево – или сероватожёлтый цвет;

• высокая пористость (до 50%), причём некоторые поры заметны на глаз, поэтому лёсс называют макропористой породой;

• значительная, водопроницаемость, особенно по вертикали;

• наличие в составе карбонатов, иногда в виде конкреций разной формы (журавчики, лёссовые куклы), поэтому лёссы “вскипают” под действием раствора HCL; в лёссе могут присутствовать также сульфаты (гипс);

• небольшая природная влажность (w=10..12%);

• значительная прочность в природном состоянии (влияние двух предшествующих свойств), так что лёссы способны образовывать почти вертикальные склоны значительной высоты;

• слабое развитие слоистости или ее отсутствие.

Особенностью диагенеза лёсса является его недоуплотненность, что объясняется формированием жестких структурных связей, прежде чем произошло уплотнение под действием вышележащей толщи. Связи разрушаются при обводнении, при этом порода под действием собственного веса (а тем более нагрузки от сооружения) резко доуплотняется. Соответственно верхние слои и поверхность грунта испытывают большие и быстропротекающие осадки, называемые просадками. Поэтому лёссы относят к макропористым, просадочным при замачивании грунтам и без учета свойства просадочности строительство на них невозможно. Распространены лёссы главным образом на юге России, однако, в других регионах, в том числе на Северо-западе, встречаются породы, в том или ином отношении похожие на лёссы. Их называют лёссовидными. Некоторые из них могут быть и просадочными.

При длительном уплотнении и дегидратации лёссы и лёссовидные породы переходят в твёрдое камнеподобное состояние и называются алевролитами. По виду и свойствам они похожи на аргиллиты.