
книги из ГПНТБ / Булычев, В. Г. Механика дисперсных грунтов
.pdfпластичностью 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;
Г—вес 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