Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
19.10.2023
Размер:
7.23 Mб
Скачать

пластичностью и большой водоподъемной капиллярной способ­

ностью.

 

 

 

 

 

 

Кроме того, как это доказано К. Терцаги^

и Г. И.

По—

кровским2 , часть частиц, составляющих глинистые

грунты,

в противоположность зернам песчаных грунтов имеют

плас­

тинчатую (чешуйчатую) форму, толщина этих частиц в

10 —

20 раз менее их длины.

 

 

 

 

 

 

Глинистые грунты в зависимости от числа

пластичности

разделяются на виды (табл.

2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

2

Виды глинистых грунтов

 

 

 

 

Вид глинистого грунта

Число пластичности

Ц/п

 

 

Супесь

1

« Wn «

7

 

 

 

Суглинок

7

< Wn «

17

 

 

 

Глина

 

ѴѴП >

17

 

 

 

По физико-механическим характеристикам глинистые

грун-

ты прямо противоположны песчаным. Естественно, что

и

в

строительстве поведение глинистого грунта (независимо

 

от

того, употребляется ли он как материал или как

основание

сооружения) значительно отличается от песчаного. Это поло­ жение в равной степени относится к прочности, сжимаемости, водостойкости и размокаемости грунта.

5 . Грунт как однофазная, двухфазная и трехфазная дисперсная система

Под фазами принято понимать составляющие того или ино­

го грунта. Так, скелет грунта называется твердой

фазой,

вода, заполняющая частично либо полностью поры

твердого

скелета, называется жидкой фазой, и газ, находящийся в том

или ином количестве в порах грунта, называется

газообраз­

ной фазой.

 

 

 

 

 

Т е р ц а г и К .

Основания

механики грунтов, Геол-

разведиздат.

М.,

1 9 3 2 , стр.

5 2 .

 

П о к р о в е

к и й

Г. И. Исследование

грунтов.

Труды ГИС, выл.

6.

1 9 3 0 .

 

 

1 0

Понятие однофазного грунта, т. е. грунта, состоящего толь­ ко из твердой фазы, соответствует скальным грунтам. Схе­ ма двухфазного грунта, наиболее полно разработанная К. Тер-

цаги и Н. М. Герсевановым, допускает существование

двух

комбинаций: скелет + вода или скелет + газ.

Первая комби­

нация предусматривает полное насыщение пор грунта

водой.

Такой грунт Н. М. Герсеванов предложил называть

грунтовой

массой1 . Вторая комбинация имеет в виду

 

высушенный

грунт, т. е. такой, у которого все лоры заполнены

воздухом,

сообщающимся с окружающей атмосферой.

К данному

состо­

янию ближе всего находится сухой песок^.

 

 

 

 

Глинистый грунт трудно отдает воду при сушке,

поэтому в

нем остается часть воды в виде тонких пленок,

обволаки­

вающих частицы. Такие грунты не укладываются точно

в

дхему второй комбинации двухфазной схемы

(скелет + воздух,

сообщенный с атмосферой). Есть все основания

полагать,

что для мелкодисперсных систем в чистом виде

неприем­

лема и первая комбинация двухфазной системы

(скелет

+

вода).

 

 

 

 

Трехфазная система предполагает наличие в

грунтах

трех

составляющих: скелет + вода + воздух (точнее газ), В зави­

симости от размещения воды в порах такие грунты

 

могут

находиться в состоянии либо с

"защемленной водой", либо

с

"защемленным воздухом".

 

 

 

 

 

Если в порах грунта мало воды и воздух, занимающий

ос­

тальную часть пор, свободно сообщается с атмосферой,

 

то

мы имеем, по выражению Н. М. Герсеванова,

 

состояние

грунта с "защемленной водой". В том же случае,

 

когда

Г е р с е в а н о в

Н. М.

Основы динамики

грунто­

вой массы. ОНТИ,

1 9 3 7 .

Необходимо указать,

что

некоторые исследователи употребляют этот

условный

термин неправильно, понимая под ним либо просто мас­

су грунта независимо от его состояния, либо

 

грунт,

искусственно растертый и замешанный водой.

 

 

 

Хотя по предложению К. Терцаги сухой грунт

обычно

называют однофазным, в данной работе

он трактуется

как двухфазный. По мнению автора, это

правильнее,

так как газ, заполняющий при этом поры грунта,

обла­

дает свойствами, отличными от свойств

атмосферы.

 

1 1

воздух в порах, будучи перебит водными прослойками,

не

сообщается с атмосферой,

мы имеем грунт с "защемленным

воздухом".

 

 

 

 

Для более наглядного представления о фазах грунтов

на

схеме (рис. 1), графически показаны все основные,

наиболее

часто встречающиеся на практике комбинации.

 

 

6. Качественные строительные

характеристики

 

"фазных"

грунтов

 

 

 

От соотношения фаз зависят строительные свойства

грун­

тов. Известно, что однофазные, т. е. скальные, грунты

явля­

ются наиболее прочными. Сооружение,

поставленное на

скальном основании, не может вызывать сомнений с

 

точки

зрения больших или неравномерных осадок. Однако

свойства

скальных оснований в значительной степени зависят от нали­

чия трещин. Поэтому строители должны определять

водопро­

пускную способность однофазных грунтов, которые,

будучи в

естественном залегании трещиноватыми, требуют

больших

затрат на цементацию или битумизацию трещин. Таким обра­ зом, однофазные (скальные) грунты можно охарактеризовать как прочные, водостойкие, но в то же время обладающие ино­

гда большой водопропускной способностью.

 

Строительные характеристики двухфазного грунта

менее

четки и для их определения приходится прибегать к широкому

физико-механическому обследованию и установлению

таких

констант, которые для однофазного грунта либо не

характер­

ны, либо вовсе ему не присущи.

 

1 2

Строительные характеристики двухфазных грунтов находят­

ся в прямой зависимости от комбинаций составляющих

их

фаз (сухой грунт или грунтовая масса), а также от

типа

грунта (песчаные, глинистые). С точки зрения

прочности

наиболее надежным является сухой грунт, т. е. грунт, состо­

ящий из скелета и воздуха, заполняющего поры. В

 

случае

большой плотности (малой пористости) сухой грунт

 

может

выдерживать значительные сжимающие и сдвигающие

усилия,

сопровождаемые ничтожными деформациями.

 

 

 

 

 

О

водостойкости и водоупорности сухого

грунта

 

говорить

не приходится, так как одновременно с насыщением

 

 

водой

грунт переходит либо в трехфазное состояние, либо в

состо­

яние грунтовой массы.

 

 

 

 

 

В случае, когда двухфазный грунт состоит из скелета

и

воды, его строительные свойства зависят от типа.

Известно,

что песчаные грунты несравненно более крулнодисперсны ,

чем глинистые. Поэтому в песчаных грунтах роль воды,

за­

полняющей поры, ничтожна из-за их большой

 

водопропускной

способности. Вода, заполняющая поры, свободно уходит

при

сжатии- и не оказывает никакого влияния на

 

стабилизацию

деформаций. Другими словами, крупнодисперсный грунт,

на­

сыщенный водой, по строительным свойствам близок к

сухо­

му. Деформации при сжатии и сдвиге у этихгрунтов в

зна­

чительной мере зависят от естественной плотности.

 

 

 

С точки зрения строительных свойств поведение

грунтовой

массы мелкодисперсного грунта значительно отличается

от

поведения крупнодислерсного.

 

 

 

 

 

Если при увлажнении и последующем высушивании

 

крупно-

дисперсные грунты дают ничтожные величины набухания

и

усадки, то в мелкодисперсных грунтах эти величины

 

столь

значительны, что с ними нельзя не считаться.

Объясняется

это тем, что в первом случае из-за больших размеров

пор

грунта

излишняя вода при сжатии вытесняется сейчас

 

же,

почти независимо от толщины обжимаемого слоя. В микропо—

Здесь и далее под дисперсностью понимается та

или

иная раздробленность. Так, если грунт состоит

из

крупных частиц, его принято называть крупнодисперс­

ным,

и наоборот. Грунт, состоящий из зерен

крупно­

стью

более ІО "4 см, относится к грубодисперсным

си­

стемам, а из зерен крупностью 10"5 „ ю~®

см -

к

коллоидно-дисперсным.

 

 

1 3

ристом же грунте процесс вытеснения воды проходит медлен­ но (в естественных условиях годами) и находится в опреде­ ленной зависимости от толщины обжимаемого слоя. Это сви­

детельствует о том, что нагрузка в крупнодисперсной

грун­

товой массе сразу же воспринимается твердой фазой,

иначе

говоря, реакция возникает только в скелете, тогда как

в

мелкодисперсной грунтовой массе нагрузка в первый

момент

воспринимается водой и только по мере ее вытеснения

по­

степенно передается скелету. Затухание осадки и

отражает

собой процесс восприятия нагрузки твердой фазой.

 

 

Таким образом, строительные свойства грунтовой

 

массы

как двухфазной системы мелкодисперсного грунта мало

изу­

чены и требуют детального и всестороннего

обследования

всех обстоятельств, влияющих на прочность грунта.

 

 

Наличие третьей (газообразной) фазы значительно

ослож­

няет определение прочности грунта, причем положение

усу­

губляется еще и тем, что, как уже говорилось,

трехфазный

грунт может быть в двух состояниях: с "защемленной водой"

и с "защемленным воздухом". В обоих случаях вода,

распо­

лагаясь преимущественно в местах контакта частиц

грунта,

создает дополнительные внутренние усилия (сцепление),

ко­

торые упрочняют грунт.

 

 

По теории, разработанной проф. Г. И. Покровским,

влияние

сил сцепления на прочность трехфазных грунтов различно

и

находится в зависимости от дисперсности, формы частиц

и

влажности грунта. Экспериментальная проверка подтвердила, что по характеру и по абсолютным величинам эффект сцепле­

ния в крулнодисперсных (песчаных) грунтах значительно

от­

личается от

эффекта сцепления в грунтах

мелкодисперсных

(глинистых).

 

 

 

 

 

В первом случае с увеличением влажности величина

силы

сцепления сначала растет до некоторого максимума,

 

затем

при полном насыщении грунта водой быстро падает. Во

вто­

ром случае,

наоборот, увеличение влажности уменьшает

ве­

личину силы сцепления, максимальное значение которой

 

со­

ответствует влажности, приближающейся к нулю.

 

 

 

Если в крупнодисперсных грунтах абсолютные

величины

сил сцепления ничтожны и не превышают 0 ,5 кГ/см2 ,

то

в

мелкодисперсных системах они реально ощутимы и достигают

20 кГ/см2 .

 

 

 

Деформации трехфазного грунта

различны,

и находятся

в

зависимости от соотношения воды

и воздуха

в его порах.

Ес­

1 4

ли сжимается грунт с "защемленной водой", то

находящийся

в лорах воздух свободно, без всякого сопротивления

выходит

в атмосферу; если же сжатию подвергается грунт с

"защем­

ленным воздухом", то в первый момент часть нагрузки

со­

общается воздуху, который либо сжимается, приобретая

по­

вышенное давление, либо растворяется в воде.

Естественно,

что это обстоятельство изменяет и характер протекания

де­

формаций, и их абсолютные величины.

 

 

 

ГЛАВА П. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

1.

Физические характеристики грунтов

 

 

Физические свойства грунтов обычно характеризуются

ве­

совой влажностью W ,

объемным весом

,

удельным

весом

у

, пористостью

nw

, гранулометрическим

со­

ставом

и пластичностью

к ,

, » ; •

 

 

 

Необходимо оговориться, что некоторые из этих

характе­

ристик, в частности объемный вес и пористость,

нельзя

рассматривать отвлеченно, так как они тесно связаны

с

влажностью.

 

 

 

 

 

Как это

будет показано

в части Ш работы,

рассматрива­

ющей теорию трехфазной дисперсной системы

(рис.

2),

дей­

ствительными оказываются такие характеристики, как объем­ ный вес, пористость, коэффициент пористости и степень влажности, которые находятся в зависимости от влажности. "

2 . Влажность

 

 

Влажность имеет значение не только самостоятельной

ха­

рактеристики, определяющей содержание воды в грунте,

но и

исходной величины для установления других

характеристик

(объемного веса и пористости). Следовательно, неправиль­ ное или неточное определение влажности неминуемо приведет к ошибкам в последующих расчетах. Это обязывает исследо­ вателей обращать особое внимание на те факторы, которые при

определении влажности могут оказать влияние на

оконча­

тельные результаты. К таким факторам в первую

очередь

необходимо отнести: случайность, нехарактерность

исследу­

емого образца для массива грунта, высушивание или

увлаж­

нение образца до анализа, ошибки при взвешивании и

ошибки

при вычислении.

 

 

 

 

 

 

 

Весовая

(природная)

влажность может быть

определена

следующим образом: металлический или стеклянный

сушиль­

ный стакан тщательно протирают и взвешивают. Затем в

не­

го помещают куски исследуемого грунта весом

 

2 0 —4 0

г.

после чего стакан вновь взвешивают. Для удаления

из

грун­

та воды стакан на 4 —6 ч помещают в сушильный шкаф.

Во.

избежание

отделения химически связанной воды

температура

не должна превышать 105°С .

 

 

 

 

 

После высушивания закрытый стакан с грунтом

помещают

в эксикатор (сосуд с обезвоженным воздухом), где

он

и

остывает до комнатной температуры. Затем стакан

с

высу­

шенным грунтом вынимают из эксикатора и вновь

взвешива­

ют. Во всех случаях взвешивание необходимо производить

на

технических весах с точностью до 0 ,0 1 г.

 

 

 

 

Расчет

влажности

IV (в %) производится по

формуле

 

 

И /= — ^-----^ -1 0 0 ,

 

 

 

 

(1)

где

ß

 

О д

D \

 

 

 

 

 

- вес сушильного стакана;

 

 

 

 

 

 

Bt - вес сушильного стакана с

влажным грунтом;

 

 

ß s—вес сушильного стакана с

высушенным грунтом.

 

 

3.

Объемный вес

 

 

 

 

 

При любом инженерно-техническом расчете, связанном

с

грунтами,

необходимо

знать

их объемный вес.

Без

этого

не­

возможно произвести даже самый простейший подсчет земля­

ных работ.

Массив грунта независимо от того, подлежит ли

он выбросу при

отрытии котлована, засыпке при

возведе­

нии насыпи,

предназначается ли он для

основания

сооруже­

ния, должен

быть

обследован и для него

должно быть опре­

делено среднее значение объемного веса. Это тем более важ­ но, в случаях, когда грунтовый массив неоднороден.

1 6

Как известно, объемный вес —это вес 1 м3 грунта с не­ нарушенной структурой. Мы уже говорили, что правильное оп­ ределение объемного веса грунта связано с обязательным со­ хранением в образце природной влажности, поэтому все фак­ торы, которые могут влиять на результаты определения вла­ жности, могут отразиться и на результатах определения объ­ емного веса. Кроме того, на результаты определения объем­ ного веса может оказать влияние и то, что при определении влажности не имеет никакого значения, а именно нарушение структуры грунта. Объясняется это тем, что нарушение стру­

ктуры либо уменьшает, либо увеличивает вес грунта

в

еди­

нице объема, т. е. изменяет его объемный вес.

 

 

 

 

Объемный вес предпочтительно определять на

сравнитель­

но больших образцах грунта и непосредственно в поле.

Это

особенно важно для песчаных грунтов, малые образцы

кото­

рых очень трудно взять

без значительного

нарушения струк­

туры.

 

 

 

 

 

 

При определении в поле объемного веса песчаных

грунтов

обычно поступают так: в исследуемый грунт погружают

от­

резок трубы большого .диаметра или бездонную коробку

из

листового железа. Грунт, заполняющий трубу или

 

коробку,

осторожно вынимают и взвешивают с точностью

до

100 г.

Объем грунта при этом должен быть не менее

0 ,2 5

м3. Та­

ким образом, объемный вес грунта определится как

частное

от деления веса грунта

Q. на его объем

V

:

 

 

 

 

зѵ = а

 

 

 

 

(2)

При определении объемного веса связанных

 

глинистых

грунтов необязательно применять трубу, коробку или

какое-

либо иное приспособление, удерживающее грунт в

определен­

ной форме. Необходимый образец правильной формы

 

можно

вырезать непосредственно из естественного монолита.

В

случае, если определить плотность грунта в поле по

каким-

либо причинам невозможно, вырезанный из массива

монолит

ненарушенной структуры

и естественной влажности

заливают

парафином и отправляют в лабораторию. Из монолита в лабо-

рабории

вырезают образец весом не менее 1 5 0 -2 0 0 г, слег­

ка обрабатывают его ножом, чтобы на поверхности не

было

изъянов,

в которых может остаться воздух, и вновь

парафи­

нируют.

После этого образец взвешивают на

технических

весах с

точностью 0,1 г и опускают в стакан

 

 

2.3ак.І22

ределенного объема, который затем дополняют водой. Объем­ ный вес определяют по формуле (2):

 

 

 

 

Sw

V

BL- B X

»

 

 

где

п

вес

образца

 

 

Ѵ

0,9

 

 

 

Вх-

до парафинирования;

 

 

 

 

 

вес образца после парафинирования;

 

 

 

V —объем парафинированного образца;

 

 

 

 

О,9 -

удельный вес

парафина.

 

 

 

 

Преобразовав

уравнение,

получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

Sw

0,9 В,

 

 

(3)

 

 

 

 

0 , 9 ^ - С В і - в , )

 

 

 

 

 

4 .

 

Удельный вес

 

 

 

Объемный вес

грунта

не дает точного представления

 

об

объемном весе скелета

грунта, поэтому пользуются

другой

характеристикой - удельным весом

грунта, т.

е. определяют

вес

1 м3 грунтового скелета,

предположительно сжатого

до

полного вытеснения из него пор.

Удельный вес грунта самостоятельно входит в ряд расчет­

ных формул, но, кроме того, им пользуются как

некоторой

ориентировочной характеристикой

минералогического

состава

грунта. Присутствие в грунте тяжелых пород (базальты,

ли­

мониты и др.) повышает его удельный вес

до 3,

а

иногда

4 т /м 3 и, наоборот, присутствие в грунте

органических

ве­

ществ и органоминералов снижает его удельный

вес

до

2 т/м 3.

 

 

 

 

 

В отличие от объемного, удельный вес не зависит

 

от

влажности и структуры грунта,

поэтому при

определении

удельного веса отпадает необходимость в соблюдении

требо­

вания о ненарушенной структуре и естественной

влажности

грунта, даже наоборот, метод определения удельного

 

веса

требует предварительного высушивания и растирания

грунта,

т. е. полного разрушения его структуры.

 

 

 

 

Обычно удельный вес грунта определяют в лаборатории при

помощи пикнометра (рис. 3 ). До опыта отдельно

устанавли­

вают вес пикнометра —высушенного и наполненного до

мер­

ной черты дистиллированной водой.

 

 

Высушенный при температуре 105°С грунт

просеивают

через сито 1 мм и в количестве 5 -1 0 г засыпают в

су­

хой пикнометр. Пикнометр с грунтом взвешивают,

затем

до­

ливают примерно до половины объема дистиллированной водой

1 8

 

 

Рис.

3

 

и ставят

на 3 0 -4 0

мин

в водяную баню. В результате

ки­

пячения воздух дз

грунта

удаляется. В остывший пикнометр

доливают дистиллированную воду до мерной черты и еще

раз

взвешивают его.

 

 

 

Удельный вес рассчитывается по формуле, вытекающей

из

выражения (2):

 

 

 

 

 

 

В - А - Г + Б »

(4)

где

А - вес сухого пикнометра;

 

В- вес пикнометра с водой, налитой до мерной черты;

В—вер пикнометра с грунтом;

Гвес пикнометра с грунтом и водой, долитой до мерной черты.

Если результаты двух определений расходятся больше чем на 2%, анализ повторяют.

5 . Пористость

 

 

 

 

Отношение объема пор (независимо от того, чем они

за­

полнены) ко всему объему образца

грунта принято

называть

пористостью.

 

 

 

 

С точки зрения прочности грунта

пористость - это

одна

из его наиболее характерных физических констант. Чем

бо­

лее порист тот или иной грунт, тем он рыхлее, а

следова­

тельно, менее прочен и более подвержен

деформируемости

под нагрузкой.

 

 

 

 

Пористость грунта изменяется от взаимного

сближения

или удаления частиц скелета под действием внутренних

и

внешних сил. Если направление сил таково,

что

частицы

сближаются, пористость уменьшается, если же частицы

вза­

имно отдаляются, пористость увеличивается.

 

 

 

1 9

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ