Лекция 4. Основы грунтоведения. Дисперсные грунты как природные многофазовые динамические системы

4.1. Строительная классификация грунтов

Изложенное в л.№2 показывает, что породы, по условиям образования относящиеся к различным группам, могут обладать прочностью одного порядка: например, гранит (МГП), мрамор (ММГП), песчаник с кремнистым цементом (ОГП). С другой стороны, в группе ОГП сжимаемость торфа на 3 – 4 порядка выше, чем твердой глины или аргиллита.

Поэтому по строительным свойствам выделяются следующие группы пород: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и особые.

К скальным и полускальным относятся породы с прочными кристаллизационными или цементационными связями отдельных частиц. Практически это все МГП, ММГП, ОГП обломочные цементированные, аргиллиты, алевролиты, химические и биохимические ОГП. Формальным критерием для выделения полускальных является меньшая прочность (расчетное сопротивление сжатию R < 5 МПа).

Три следующих группы представляют собой дисперсные (раздробленные) породы, состоящие из твердых частиц и пор, заполненных жидкостью (обычно вода) и газом (обычно воздух, иногда метан, сероводород и др.) В некоторых случаях присутствуют микроорганизмы, бактерии (биота). Таким образом, дисперсные грунты представляют собой многокомпонентные системы (обычно трехфазные) и их строительные свойства определяются как свойствами отдельных составных частей (компонент или фаз), так и их соотношением. Детально они изучаются в грунтоведении.

В последнюю группу особых объединены породы, обладающие тем или иным особым, характерным только для них свойством. Это, например, торф, лесс, мерзлые грунты.

4.2. Физические показатели, их использование в классификациях грунтов

Соотношение составных частей грунта можно охарактеризовать тремя основными физическими показателями:

Плотность ρ – отношение массы образца к его объему (обычно ρ= 1,5 …2,2 т/м³); плотность частиц грунта ρ_s – отношение массы частиц к их объему (обычно ρ_s = 2,5…2,7 т/м³); влажность ω – отношение массы воды в пробе к массе частиц. Обычно влажность значительно меньше единицы, но для торфа возможно и ω > 1, причем намного больше.

На практике часто используются показатели, которые можно рассчитать по основным, например:

- плотность сухого грунта _d - отношение массы частиц к объему (пробы) грунта;

- пористость n – отношение объема пор ко всему объему; пористость можно рассчитать по введенным показателям: n = 1 - _d/_s;

- коэффициент пористости е – отношение объема пор к объему частиц, причем n и е взаимосвязаны: е = n/(1- n);

- степень влажности S_r – отношение объема воды к объему пор; если поры грунта полностью заполнены водой, то S_r = 1 и такая влажность представляет собой полную влагоемкость, или водопоглощение грунта.

Значения пористости или коэффициента пористости позволяют характеризовать состояние грунта по плотности – плотное, средней плотности или рыхлое. По значению S_r грунты подразделяются на маловлажные (S_r <0,5), водонасыщенные (S_r > 0,8) и влажные при значении в указанном интервале.

Для глинистых грунтов, кроме приведенных, важными показателями являются влажности, соответствующие верхней и нижней границам пластичности, получившие названия верхнего и нижнего пределов пластичного состояния грунта, или, соответственно, его пределов раскатывания ω_p и текучести ω_L. Их разность называется числом пластичности; это интервал влажности, в котором глинистая порода находится в пластичном состоянии.

Для большинства глинистых пород число пластичности I_p тесно связано с содержанием глинистой фракции. Поэтому на практике используется классификация: при I_p< 0,07 грунт супесь, при I_p > 0,17 – глина; при изменении числа пластичности в указанном интервале грунт- суглинок.

Консистенция, т.е. состояние глинистого грунта по отношению к пределам пластичности, оценивается показателем текучести I_L= (ω – ω_p)/(ω_L – ω_p). Очевидно, при I_L < 0 консистенция твердая, при I_L > 1 – текучая, а в интервале от 0 до 1, т.е. при пластичной консистенции для суглинков и глин выделяют еще состояния полутвердое, тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное (с шагом I_L, равным 0,25).