Ющубе_КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по МЕХАНИКИ ГРУНТОВ ТГАСУ

Окончание табл. 1.3

Аргиллиты

Особое внимание при изучении механики грунтов следует уделить вопросу изучения природы и механизмов разрушения связей в структурно-неустойчивых грунтах, речь о которых пойдет в следующих лекциях.

Другим важным фактором, имеющим существенное влияние на физико-механические свойства грунтов, является их текстура. Под текстурой следует понимать взаимное расположение частиц в грунте относительно друг друга. Текстура грунта определяется, прежде всего, условиями образования грунтов и их минеральным составом. Текстура грунтов определяет такие их свойства, как прочность, плотность, водопроницаемость и др.

21

Контрольные вопросы

1.Почему грунты относят к дисперсным системам?

2.Что означают термины «двухкомпонентный» и «трехкомпонентный» грунт?

3.Почему за основу классификации грунтов по гранулометрическому составу принимается процентное содержание глинистых частиц?

4.Какой дисперсный грунт называется глиной?

5.Назовите основные виды воды в грунтах.

6.Какой показатель характеризует неоднородность грунтов?

7.Какие существуют виды структурных связей в грунтах?

22

ЛЕКЦИЯ 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ.

СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ

2.1. Основные физические характеристики грунтов

Мысленно выделим из массива грунта образец объемом

V = 1 см3 (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема компонентов в элементе грунта

В рассматриваемом объеме V выделим объем твердых частиц Vs и объем пор Vп. В общем случае часть пор в грунте занимает вода объемом Vw, а оставшуюся часть – газ объемом Vg.

Основными характеристиками грунта являются:

– плотность грунта ( ) естественной (ненарушенной) структуры;

– плотность твердых частиц грунта ( s);

– природная влажность грунта (w).

В процессе инженерно-геологических изысканий из шурфов или скважин отбирают монолиты, т. е. большие образцы грунта ненарушенной структуры, и в лабораторных условиях экспериментально определяют эти характеристики.

Плотность грунта естественной структуры – это отно-

шение массы грунта к его объему. Масса грунта складывается (рис. 2.1) из массы частиц ms и массы воды mw, а объем – из объема твердых частиц Vs и объема пор Vп:

23

Плотность грунта естественной структуры обычно определяют методом режущего кольца. Тонкостенное металлическое кольцо известного объема и массы осторожно врезают в грунт, далее путем взвешивания определяют массу грунта в объеме этого кольца и вычисляют плотность. Существуют и другие методы определения.

Плотность твердых частиц грунта s – это отношение массы твердых частиц ms к объему этих частиц Vs:

Плотность частиц зависит только от их минералогического состава и изменяется в основном в незначительных пределах от 2,6 до 2,8 г/см3. Среднее значение для песков – 2,66 г/см3, глинистых грунтов – от 2,70 до 2,75 г/см3.

Масса частиц определяется обычным взвешиванием навески грунта после высушивания до абсолютно сухого состояния, объем твердых частиц – пикнометрическим методом. После специальной подготовки навеску грунта помещают в специальный сосуд (пикнометр) с водой известного объема и по объему (массе) вытесненной воды определяют объем твердых частиц.

Природная влажность грунта w – это отношение массы воды mw к массе твердых частиц ms:

Чтобы определить влажность грунта, образец взвешивают в состоянии природной влажности и этот же образец взвешивают повторно после высушивания до постоянного веса при t =105 С. Разность весов до и после высушивания есть масса воды mw. Влаж-

24

ность грунта выражается в долях единицы или в процентах и для большинства грунтов изменяется в пределах 0,01–0,6 (1–60 %).

2.2. Классификационные показатели грунтов

Для определения состояния грунтов и их классификации необходимо знать ряд других показателей, которые можно определить расчетным путем, используя основные физические характеристики.

Плотность сухого грунта d – это отношение массы сухого грунта (массы частиц) ms к объему всего грунта V:

Так как объем выделенного образца у нас принят V = 1 см3, то

Из этих зависимостей видно, что масса воды в единичном объеме будет равна

Подставляя в формулу (2.3) значения ms из (2.5) и mw из (2.6), будем иметь

Пористость n есть отношение объема пор грунта Vп ко

25

Аналогично содержание твердых частиц в единице объема:

Пористость n выражается в долях единиц или в процентах и для обычных грунтов изменяется в пределах от 30 до 50 %.

Врасчетах часто используется коэффициент пористости

е– отношение объема пор Vп к объему твердых частиц Vs:

Зная плотность частиц s и плотность сухого грунта d, коэффициент пористости можно определить по формуле

Зная е и используя выражения (2.10) и (2.11), получим связь коэффициента пористости с пористостью

Коэффициент пористости служит для оценки плотности грунта, а его изменение под нагрузкой – для оценки сжимаемости.

Степень влажности Sr – это отношение объема воды Vw к объему пор Vп:

Как видно из формулы (2.14), степень влажности может изменяться от 0, когда вода полностью отсутствует в порах грунта, и до 1, когда все поры заполнены водой.

26

Умножив в формуле (2.14) числитель и знаменатель на одинаковые величины, получим

где w – плотность воды; msat и wsat – соответственно масса воды и влажность грунта при полном заполнении пор. wsat называют полной влагоемкостью грунта.

Как видно из формулы (2.15), полная влагоемкость определяется выражением

Из формулы (2.11) следует, что отношение Vп/Vs есть коэффициент пористости е и окончательно будем иметь

Подставляя в формулу (2.15) значение wsat из (2.18), будем иметь формулу, которая наиболее часто используется в расчетах:

В зависимости от степени влажности песчаные грунты подразделяются на маловлажные, влажные и насыщенные водой.

27

Чтобы перейти от характеристик плотности грунта к удельным весам, которые используются в расчетах при определении напряженного состояния грунтовых массивов, необходимо первые умножить на ускорение свободного падения, а именно:

= g [кН/м3] – удельный вес грунта в природном состоянии;s = s g [кН/м3] – удельный вес частиц грунта;

w = w g [кН/м3] – удельный вес воды.

Если мы имеем дело с грунтом, который залегает ниже уровня подземных вод, то, согласно закону Архимеда, на этот грунт действует подъемная сила. С учетом этой силы удельный вес грунта, расположенного ниже уровня подземных вод, можно определить по формуле

2.3. Строительная классификация грунтов

Вкурсе «Механика грунтов» рассматриваются нескальные грунты, которые подразделяются:

– на крупнообломочные;

– песчаные;

– глинистые;

– биогенные (заторфованные, торфы и сапропели);

– почвы.

Вособую группу выделены искусственные грунты (искусственно уплотненные грунты, насыпи и намывные, упрочненные различными инъекциями).

Подробнее остановимся на наиболее часто встречающихся природных песчаных и глинистых грунтах.

Пески в зависимости от процентного содержания различных по крупности фракций подразделяются:

– на гравелистые;

– крупные;

28

–средней крупности;

–мелкие;

–пылеватые.

В зависимости от коэффициента пористости песчаные грунты подразделяются на плотные, средней плотности и рыхлые.

Обобщенной характеристикой плотности песчаных грунтов, учитывающей как гранулометрический состав, так и форму частиц, является коэффициент относительной плотности:

где emax, emin и e – коэффициенты пористости грунта, соответственно в максимально рыхлом, максимально плотном и естественном состоянии.

При:

0 < Id 0,33 – песок рыхлый;

0,33 < Id 0,66 – песок средней плотности; 0,66 < Id 1 – песок плотный.

По степени влажности песчаные грунты подразделяются:

–на маловлажные – 0 < Sr 0,5;

–влажные – 0,5 < Sr 0,8;

–насыщенные водой – 0,8 < Sr 1.

Более грубозернистые и более плотные песчаные грунты обладают большей прочностью.

Глинистые грунты в зависимости от содержания глинистых частиц подразделяются на супеси, суглинки и глины. Чем больше глинистых частиц в грунте, тем больше число пластичности, которое вычисляется по формуле

где wL и wp – соответственно верхний и нижний предел пластичности.

Под верхним пределом пластичности понимается такая влажность глинистого грунта, при которой он из пластичного пе-

29

реходит в текучее состояние. Этот параметр определяется с помощью стандартного конуса. Если стандартный конус под собственным весом погружается в специально приготовленную пасту грунта до определенной отметки, то его влажность соответствует верхнему пределу пластичности. Влажность грунта соответствует нижнему пределу пластичности тогда, когда жгутик грунта диаметром 3 мм при дальнейшем раскатывании начинает распадаться на отдельные кусочки.

Для каждого грунта wL и wp – const.

Если число пластичности изменяется в пределах: 1 < Jp 7 – грунт супесь;

7 < Jp 17 – грунт суглинок; 17 < Jp – грунт глина.

Состояние глинистого грунта (консистенция) в природном залегании оценивается по показателю текучести:

Супеси в зависимости от показателя текучести подразде-

ляются:

–на твердую – JL < 0;

–пластичную – 0 JL 1;

–текучую – JL >1.

Суглинки и глины в зависимости от показателя текучести

имеют более детальную градацию:

–твердые – JL < 0;

–полутвердые – 0 JL 0,25;

–тугопластичные – 0,25 JL 0,5;

–мягкопластичные – 0,5 JL 0,75;

–текучеплатичные – 0,75 JL 1;

–текучие – JL .> 1.

Как видно из формулы (2.23), с увеличением природной влажности грунта (w) показатель текучести повышается, грунт ста-

30