Ющубе_КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по МЕХАНИКИ ГРУНТОВ ТГАСУ

1.2.1. Твердые частицы

Природные грунты являются продуктом физического и химического выветривания скальных горных пород, поэтому твердые частицы грунтов представлены отдельными минералами или обломками этих пород. Песчаные и крупнозернистые грунты состоят в основном из таких минералов, как кварц, полевой шпат, слюда. Глинистые грунты, как продукт в основном химического выветривания, содержат большое количество мелких вторичных минералов – монтмориллонита, каолинита, гидрослюды и др.

В зависимости от крупности твердые частицы делятся на шесть групп (табл. 1.1), называемых фракциями (рис. 1.2).

Примечание. В скобках даны наименования неокатанных частиц.

Рис. 1.2. Сопоставление размеров различных фракций грунтов (слева направо): гравий – песок – глина2

2 URL: https://doi.org/10.2136/sssabookser

11

Природные грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное содержание в грунте по массе различных фракций определяет его гранулометрический состав.

Содержание в грунте частиц крупнее 0,1 мм определяют просеиванием через комплект сит с калиброванными отверстиями. Для более мелких фракций применяют методы, основанные на определении размеров частиц по скорости их выпадения в осадок из суспензии, используя зависимость Стокса для скорости падения шара в вязкой жидкости.

Зная процентное содержание в грунте каждой фракции, можно построить кривые однородности грунта в полулогарифмическом масштабе, откладывая по оси абсцисс логарифмы диаметра частиц, а по оси ординат – проценты содержания частиц

(рис. 1.3).

Рис. 1.3. Кривые однородности грунтов:

1 – грунт однородный; 2 – грунт менее однородный; 3 – грунт, не имеющий

всвоем составе ряда промежуточных фракций

Вдорожном и гидротехническом строительстве степень неоднородности крупнообломочных и песчаных грунтов оценивается по коэффициенту неоднородности:

12

K60/10 = d60/d10,

где d60 и d10 – диаметры частиц, меньше которых в данном грунте содержатся по массе соответственно 60 и 10 % частиц.

Чем больше K60/10, тем неоднородней грунт. При K60/10, близком к 1, грунт идеально однородный.

Каждая твердая частица грунта несет на своей поверхности заряд. Благодаря этому заряду частица взаимодействует с окружающей средой, т. е. с жидкостью и газом. Это взаимодействие тем больше, чем больше поверхность частиц в грунте. Для уяснения этого положения рассмотрим поверхность кубических элементов, заполняющих объем 1 см3. Допустим, элементарный кубик имеет ребро 1 мм, тогда площадь его поверхности будет равна 6 мм2, а таких кубиков в объеме 1 см3 может разместиться 1000 шт. с общей площадью поверхности 60 см2. При размере ребра элементарного кубика 1 10–2 мм площадь достигнет 6 м2, а при размере 10–5 мм (коллоидные частицы) – 600 м2. Таким образом, в грунтах, состоящих из глинистых частиц, поверхностные явления имеют во много раз большее значение, чем в грунтах, содержащих только песчаные и пылеватые частицы. Даже незначительная добавка (1–3 %) к мелким песчаным частицам глинистых может в сотни и тысячи раз увеличить их суммарную поверхность и вызвать резкие качественные изменения свойств грунта. Поэтому за основу классификации видов грунта по их гранулометрическому составу принимается содержание глинистых частиц в процентах по массе (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Деление грунтов по содержанию глинистой фракции

13

1.2.2. Жидкая составляющая грунта

Как уже отмечалось, поры грунта частично или полностью заполнены жидкостью (см. рис. 1.1). В пределах верхней толщи грунтов, являющихся основаниями фундаментов, такой жидкостью в основном является вода. Вода в грунтах может быть представлена в виде пара, жидкости и льда. Водяной пар рассматривается в составе газообразной составляющей. В жидком состоянии вода может быть в связанном и свободном виде.

Связанная вода. Твердые частицы несут на поверхности отрицательный заряд и образуют вокруг себя электрическое поле. Молекулы воды являются нейтральными, однако атомы водорода и кислорода расположены в них несимметрично, образуя диполи, один конец которых соответствует положительному, а другой отрицательному полюсу. На достаточном расстоянии от поверхности твердых частиц молекулы воды расположены хаотично, вблизи твердой частицы ориентируются положительным концом к ее поверхности (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема строения слоя связанной воды (по [2]):

I – твердая частица; II – связанная вода; III – свободная вода; 1 – прочносвязанная вода (гидратный слой); 2 – рыхлосвязанная вода (диффузионный слой)

14

Электромолекулярные силы притяжения вблизи поверхности частицы очень велики и достигают нескольких сотен мегапаскалей. Поэтому первые слои молекул притягиваются очень сильно, образуя слой прочносвязанной воды. Толщина этого слоя достигает 10–5 мм. С удалением от частицы электромолекулярные силы резко уменьшаются, и поэтому более удаленный слой воды называют рыхлосвязанным. Однако если две одинаковые соседние частицы имеют разные по толщине пленки связанной воды, то вода из толстой пленки перемещается в тонкую, пока толщина пленок не станет одинаковой.

Свойство прочносвязанной воды существенно отличается от свойств свободной воды. Так, плотность ее больше 1 г/см3, а температура замерзания ниже 0 С. Очень существенным является то, что в связанной воде мала роль сил собственного веса по сравнению с силами молекулярного взаимодействия с твердыми частицами. Движение связанной воды не подчиняется законам гравитации. Для удаления и перемещения прочносвязанной воды требуются очень большие усилия. В лабораторных условиях отделить ее от частицы можно только путем воздействия высоких температур и давления.

В песчаных грунтах благодаря относительно малой удельной поверхности частиц объем связанной воды очень мал. В глинистых грунтах, наоборот, в результате колоссальной удельной поверхности частиц объем связанной воды велик. В плотных глинах почти все поры могут быть заполнены связанной водой. В результате воздействия нагрузок или собственного веса грунта частицы прижаты друг к другу. В месте контакта толщина пленки меньше (рис. 1.5, а). Если убрать силу, которая способствует более плотной упаковке частиц, то электромолекулярные силы стремятся восстановить пленку и раздвигают частицы (рис. 1.5, б). Этот эффект был назван Б.В. Дерягиным расклинивающим и объясняет, например, подъем дна котлована на площадке, сложенной глинистыми грунтами.

15

Рис. 1.5. Схема расклинивающего действия пленки воды:

а – схема взаимного расположения водных пленок и минеральных частиц в грунтах, испытывающих сжимающие давления; б – схема взаимного расположения водных пленок и минеральных частиц при снятии сжимающего давления

Свободная вода. Свободную воду в грунте подразделяют на гравитационную и капиллярную. Гравитационная вода обладает обычными общеизвестными свойствами и перемещается

впорах грунта под действием разности напоров. Закономерности движения свободной воды в порах грунта будут рассмотрены

вследующих лекциях.

Поры грунта образуют сложную по конфигурации систему капиллярных каналов, в которых наблюдается капиллярное поднятие воды. Вода, двигаясь в капиллярах против силы тяжести, испытывает под ее действием растягивающие напряжения, равные в каждом рассматриваемом сечении весу столба воды ниже этого сечения (рис. 1.6, а). Таким образом, эти напряжения убывают книзу и равны нулю у основания капилляра.

Частицы грунта, образующие стенки капилляров, в уровне поверхности воды в капилляре испытывают сжимающее давление, равное весу поднятого столба воды, называемое капиллярным давлением. Сопротивление сдвигу частиц, создаваемое этим давлением, называется капиллярным сцеплением.

У песчаных грунтов при малой влажности в точках контактов частиц (рис. 1.6, б) возникают водные мениски малого радиуса, создавая довольно заметное капиллярное сцепление.

16

В результате этого сцепления пески при небольшом увлажнении приобретают связанность и могут держать небольшие, но вертикальные откосы. При высыхании мениски исчезают, и песок снова становится сыпучим.

мениск

Рис. 1.6. Распределение напряжений в грунтовой воде:

а – схема распределения напряжений в капиллярной воде: 1 – отрицательное давление в капиллярной воде; 2 – положительное давление в воде ниже

ееуровня; б – схема капиллярного сцепления

1.2.3.Газообразная составляющая грунта

В верхних слоях грунта газообразная составляющая пред-

ставлена атмосферным воздухом, ниже – в основном азотом, ме-

таном, сероводородом и другими газами. Газ в грунте может быть в свободном состоянии или растворенным в воде. В свою очередь, свободный газ подразделяется на незащемленный и защемленный. Незащемленный газ находится на небольших глубинах (1–2 м). Он сообщается с атмосферой и не оказывает влияния на напряженное состояние грунта. Ниже практически весь газ защемлен. Даже в водонасыщенных грунтах в воде всегда имеется растворимый газ. При уменьшении давления в воде или повышении температуры объем защемленных пузырьков в грунте увели-

17

чивается и происходит газовыделение, сопровождающееся изменением напряженного состояния грунта.

Давление в защемленном газе превышает атмосферное за счет поверхностного натяжения воды на контакте с защемленным пузырьком газа.

Вода и твердые частицы грунта малосжимаемые. Наличие даже незначительного количества пузырьков газа существенно увеличивает общую сжимаемость грунта и придает ему упругость.

1.3. Структура и текстура. Структурные связи грунтов

Под структурой понимается взаимное расположение частиц грунта, их размеры и формы, а также характер связи между ними. Связи между отдельными частицами и агрегатами грунта называются структурными. Учитывая, что сами частицы имеют высокую прочность, именно прочность структурных связей будет определять деформируемость и прочность грунтов. Структурные связи могут быть малопрочными и легко разрушаться под нагрузкой или, наоборот, обладать высокой прочностью, быть водостойкими или неводостойкими, быстро восстанавливающимися после разрушения или быть необратимыми и др. Понимание природы связей, процессов, приводящих к их разрушению, а также способы их сохранения и усиления является одним из ключевых вопросов механики грунтов.

По своей физической основе и по прочности структурные связи очень различны, однако для удобства их можно разделить на три группы:

–кристаллизационные;

–цементационные;

–водно-коллоидные.

Кристаллизационные связи образуются в период длительного формирования грунта в результате кристаллизационных процессов. Кристаллизационные связи обладают высокой прочностью, соизме-

18

римой с прочностью (энергией) химических связей между отдельными атомами, вследствие чего скальные грунты, которым присущи эти связи, имеют прочностные и деформационные характеристики, сопоставимые с характеристиками конструкционных материалов, таких как бетон или керамика. При разрушении кристаллизационные связи не восстанавливаются, поэтому в условиях естественного залегания для скальных грунтов важна не столько прочность связей между минералами, слагающими породу, сколько прочность, обусловленная трещиноватостью горной породы.

Нескальные (дисперсные) грунты в зависимости от типа связей между частицами делятся на связные и несвязные (сыпучие). К несвязным относятся песчаные и крупнообломочные грунты, к связным – глинистые (супеси, суглинки и глины).

Структурные связи между частицами сыпучих грунтов формируются только за счет сил трения, возникающих на контактах частиц, а также за счет их взаимного зацепления друг за друга. Чем плотнее прижаты частицы грунта друг к другу и чем больше их угловатость, тем более эффективно они будут препятствовать взаимному смещению друг друга. Такую форму взаимодействия частиц между собой называют внутренним трением грунта. Как уже отмечалось выше, при определённой влажности в мелких и пылеватых песках могут формироваться небольшие силы сцепления между отдельными частицами (силы капиллярного сцепления), придавая им небольшую связность (см. рис. 1.6, б). Для более полного понимания студенту рекомендуется провести для себя мысленный эксперимент с песчаным грунтом.

В связных (глинистых) грунтах помимо сил трения и зацепления возникают водно-коллоидные связи, обусловленные электромолекулярными силами взаимодействия между частицами, пленками воды и коллоидными оболочками, а также молекулярные силы непосредственного взаимодействия между частицами (силы Ван-Дер-Ваальса). Чем меньше влажности грунта, тем тоньше водно-коллоидные оболочки и прочнее водно-коллоид- ные связи. С увеличением плотности грунта электромолекуляр-

19

ные силы взаимодействия между частицами также увеличиваются. Однако увеличение сил сцепления ограничено возрастающими силами электростатического отталкивания, возникающими между одинаково заряженными частицами грунта и диффузными слоями воды. Поэтому водно-коллоидные связи имеют невысокую прочность, но при этом пластичны и обратимы.

Другим видом связей дисперсных грунтов являются цементационные связи, образующиеся вследствие отложения из поровой жидкости на поверхностях частиц гелей оксидов железа и кремния, кристаллов солей (гипс, калит, кальцит) или других химически осаждаемых веществ. Достигая определённых размеров, данные осадки срастаются между собой и цементируются, образуя болееменее прочные структурные связи между частицами грунта, называемые «сцепление упрочения». В ряде случаев процессы цементации проходят на значительных глубинах и сопровождаются высокими температурами и давлениями, в результате чего могут формироваться новые скальные и полускальные породы (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Преобразование осадочных горных пород в полускальные и скальные грунты при возникновении цементационных связей

20