Специальные методы механики грунтов и механики скальных грунтов

ными показателями являются влажность начального прилипания, влажностьмаксимальногоприлипанияимаксимальноезначениелипкости.

Максимальное значение липкости достигается у различных грун-

тов при различной влажности. Значение липкости и характерные значения влажности определяются гранулометрическим и минералогическим составом грунта, составом обменных катионов, состоянием грунта (его влажностью, плотностью, структурой и др.), материалом, из которого состоит прилипающий предмет (фундамент), характером его поверхности, величиной нагрузки, прижимающей этот предмет к грунту, и рядом других факторов.

Липкость песков и супесей ничтожна по сравнению с липкостью глинистых грунтов, у которых она изменяется от 20–30 до 500–550 г/см2 (наиболее часто 50–200 г/см2). Однако липкость глинистых грунтов зависит от содержания в них глинистых частиц лишь до определенного предела. Величина липкости тяжелых глин в большей степени зависит отихминералогического состава, чемотстепенидисперсности.

Существенное влияние на липкость грунтов оказывает минералогический состав, поскольку он, с одной стороны, определяет дисперсность грунтов, а с другой – влияет на образование в них связанной воды. При прочих равных условиях монтмориллонитовые глины должны обладать большей липкостью по сравнению с гидрослюдистыми и каолиновыми глинами. При этом следует учитывать, что большая величина липкости монтмориллонитовых глин обусловлена также большей дисперсностью их по сравнению с каолинитовыми и гидрослюдистыми глинами.

Липкость может также изменяться от состава жидкой составляющей грунта. Содержание в воде коагулирующих веществ и веществ, которым свойственна положительная адсорбция, должно привести к уменьшению липкости; при отрицательной адсорбции липкость должна увеличиваться.

Большое влияние на величину липкостигрунтовоказываетвеличина внешнего давления, действующего на прилипающий фундамент. С увеличением прижимающей нагрузки абсолютная величина липкости достаточносильновозрастает, а влажностьначальногоприлипания ивлажностьмаксимальнойлипкостисмещаютсявсторонууменьшения.

На величину липкости грунтов с нарушенным сложением существенное влияние оказывает время действия нагрузки на штамп, при-

42

чем влияние этого фактора различно для грунтов различного минералогического состава. Для каолинитовой глины характерный участок перегиба на кривой липкости соответствует примерно 3–5 мин, для монтмориллонитовой глины – 30–40 мин.

Величина липкости зависит от того, к какому предмету прилипает грунт (к металлическому, резиновому, кожаному, деревянному

идр.). Экспериментальным путем установлено, что глинистые грунты сильнее прилипают к дереву по сравнению с железом, а песчаные

иторфяные, наоборот, проявляют большую липкость к металлам. Липкость грунтов является одним

1.4.7. Пучинистость грунтов

Морозным пучением называют увеличение объема грунта при промерзании. Оно может достигать 10–15 %, а в исключительных случаях даже 40 %, и часто служит причиной деформации сооружений.

Промерзание пучинистого грунта в основании способно вызвать вертикальные перемещения фундаментов одно-, двухэтажных зданий (рис. 1.12). Причем из-за неоднородности грунтов, различий в глубине промерзания и давлении под подошвой подъем фундаментов носит обычно неравномерный характер. В стенах раскрываются трещины, перекашиваются оконные и дверные проемы, повреждаются вводы коммуникаций [8].

43

В-третьих, происходит движение водяных паров от мест с большим давлением к местам с меньшим давлением, т.е. по направлению к области промерзания.

Максимальная всасывающая способность характерна для глин, амаксимальное накопление влаги– для промерзших пылеватых супесей и суглинков, которые, кроме того, обладают еще и сравнительно высокойвсасывающейспособностью.

Интенсивность миграции влаги, а следовательно, и деформаций пучения, определяется в первую очередь типом грунта.

При быстром промерзании грунта влага не успевает накапливаться в зоне промерзания и явления пучения и льдовыделения ослабевают.

По степени пучинистости различают следующие виды грунтов:

1)непучинистые – скальные, крупнообломочные, песчаные крупнозернистые;

2)слабопучинистые – песчаные среднезернистые, глинистые, пылеватые и мелкозернистые песчаные при малой водонасыщенности

иотсутствии возможности подсоса влаги;

3)пучинистые – глинистые, пылеватые, мелкозернистые при вы-

где h f – вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм; di – фактическая толщинапромерзшегослоя образца грунта, мм [3].

46

Под пластичностью грунта понимается его способность под воздействием внешних условий изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ему форму после того, как действие внешней силы устранено. Это свойство грунта характеризует возможность проявления в нем остаточных деформаций, обусловленных содержанием в дисперсных грунтах связанной воды.

С неполярными жидкостями (керосином, бензином и др.) грунты не дают пластичной массы, потому что между этими жидкостями и грунтовыми частицами отсутствует необходимое взаимодействие.

Пластичностью при определенной влажности обладают только глинистые и лессовые грунты, мергели и мел, почвы и частично искусственные грунты. В обычных условиях при небольших внешних нагрузках у других типов грунтов она отсутствует.

У несвязных грунтов связь между частицами отсутствует и не может быть создана связанной водой, так как она образуется в ничтожных количествах [6].

47

Пластичность связных грунтов проявляется лишь в определенном диапазоне влажности, когда грунт теряет присущую ему прочность в сухом состоянии и в то же время не достигает еще состояния текучести. Она обусловлена наличием рыхлосвязанной воды в этих грунтах. При дальнейшем увеличении влажности (при формировании свободной воды) твердые частицы грунта отдаляются друг от друга настолько, что связь между ними утрачивается, и грунт приобретает способность течь, подобно жидкому телу.

Пластичность связных грунтов при инженерно-геологических исследованиях характеризуют двумя влажностными показателями:

1)верхнийпределпластичностиилинижнийпредел текучести(Wр),

2)нижний предел пластичности (Wl).

Разность в величине влажности грунта при верхнем и нижнем пределе пластичности называется числом пластичности (Iр). Число

пластичности показывает диапазон колебаний влажности, в котором грунт обладает пластическими свойствами. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт. В зависимости от Iр согласно

ГОСТ 5180–84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик» [11] связные грунты подразделяют на следующие виды:

1)супесь, 0,01 < Iр < 0,07;

2)суглинок, 0,07 < Iр < 0,17;

3)глина, Iр < 0,17;

4)песок, Iр < 0,01.

Пластичность связных грунтов определяется составом и свойствами как твердых частиц грунта, так и взаимодействующей с ними жидкости. К числу факторов первой группы относятся минералогический состав, гранулометрический состав и форма частиц, состав обменных катионов. Свойства жидкой составляющей и влияние на пластичность определяются ее химическим составом и концентрацией.

Гранулометрический состав является одним из важнейших факторов, влияющих на пластичность грунтов. Эта зависимость изучена очень хорошо.

Пластичность связных грунтов очень сильно зависит от дисперсности глинистой фракции и возрастает пропорционально увеличению содержания в ней коллоидов. Особенно сильно она увеличивается в присутствии органических коллоидов.

48

Минералогический состав грунтов также в значительной степени определяет их пластичные свойства, так как различные минералы с неодинаковой интенсивностью взаимодействуют с водой.

Сопоставление пределов пластичности и естественной влажности грунтов позволяет ориентировочно судить, в каком состоянии они находятся в естественном залегании. Очевидно, что при таком сравнении не учитывается уменьшение прочности грунтов, вызываемое разрушением естественных структурных связей. Это приводит к недоиспользованию прочности породы в естественном состоянии.

В инженерно-геологической практике для приближенной оценки консистенции связных грунтов широко применяют показатель консистенции. Чем выше этот показатель, тем выше способность минералов глинистой фракции связывать в данных условиях воду в пределах пластичного состояния грунта.

По величине верхнего предела пластичности и содержанию глинистых частиц рассчитывается показатель гидрофильности глинистой фракции. Чем выше показатель гидрофильности, тем более в данных условиях гидрофильны минералы, слагающие глинистую фракцию грунтов [6].

аб

Рис. 1.16. Штативный прибор Васильева для определения границы текучести грунтов (а); устройство для определения границы пластичности методом раскатывания (б)

Пределы пластичности грунтов определяются в лабораторных условиях согласно ГОСТ 5180–84 [11] (рис. 1.16).

49

1.4.9. Набухаемость грунтов

Набуханием называется увеличение объема грунта в процессе смачивания. Способность к набуханию связана с гидрофильным характером глинистых минералов, слагающих связные грунты, и большой удельной поверхностью последних.

Набухание – результат гидратации грунта; оно обусловлено в основном образованием в грунте рыхлосвязанной воды. Оболочки связанной воды, формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц, уменьшают силы сцепления между ними, раздвигают их и этим вызывают увеличение объема грунта.

Набухание тесно связано со связностью грунта. В процессе набухания не только увеличивается объем грунта, но и уменьшается его связность благодаря значительному ослаблению сцепления между отдельными грунтовыми частицами. Набухание грунтов может привести ких разрушениюподдействием воды– обусловитьразмоканиегрунта.

Процесс набухания носит осмотический характер. Причиной, вызывающей набухание, является разница в концентрации солей в поровом растворе и в воде, окружающей породу. Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации раствора, находящегося в порах породы, происходит набухание породы (оно тем больше, чем больше разница концентрации этих растворов). Если же концентрация внешнего раствора больше концентрации порового раствора, то набухание может не происходить; в этом случае может наблюдаться сжатие породы, подобное тому, какое наблюдается при ее высыхании.

При увеличении объема грунта в процессе набухания развивается определенное давление, которое называется давлением набухания. Оно может быть обнаружено и измерено с помощью внешней нагрузки. Очевидно, что давление набухания будет равно той нагрузке, при которой увеличения объема грунта наблюдаться не будет [6].

Таким образом, способность грунтов к набуханию можно характеризовать:

•свободным набуханием (δ0),

•набуханием под нагрузкой (δн),

•давлением набухания (рн),

•влажностью грунта после набухания (Wн).

50