Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты

— морские, накапливающиеся на дне морей обломки пород при их переносе водными потоками.

Все эти грунты отличаются своей физической природой и широким разнообразием физико-механических свойств. Они представляют собой сложные дисперсные тела, состоящие из скопления зерен или частиц твердого вещества и пор (пустот). Поры могут быть полностью или частично заполнены водой и газами (воздух, пары воды), они бывают двухили трехфазными.

9.2. Составные части грунтов и их свойства

9.2.1. Скелет грунта. Гранулометрический состав. Вода и газ в грунте

Грунты не являются однородным телом и состоят из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Их соотношение определяет физико-механичес- кие и фильтрационные свойства, причем оно не остается постоянным, а меняется в зависимости от окружающих условий, т.е. изменения температуры, влажности и степени обжатия под действием нагрузки.

Скелет грунта. Твердая фаза грунта образует его скелет. Соотношение частиц по крупности называется гранулометрическим составом. Твердые частицы представляют собой систему минеральных зерен с различными минералогическим составом, формой и размерами (от нескольких сантиметров до долей микрона). При уменьшении размеров частиц возрастает площадь их удельной поверхности, а соответственно и контактного взаимодействия между собой и окружающей средой (водой и воздухом). По крупности частицы делятся на крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые (табл. 9.1).

Крупнообломочные частицы являются продуктами физического выветривания горных пород, причем первые из них могут иметь признаки выветрелости: появления трещин, распада со снижением прочности и т.д. При этом частицы делятся на сильно-, слабовыветрелые и невыветрелые. Большей степенью выветрелости отличаются неокатанные частицы, меньшей — окатанные.

210

Таблица 9.1. Классификация грунтовых фракций по крупности

Песчаные частицы чаще всего состоят из одного минерала (кварца, полевого шпата и т.п.) и являются продуктами переноса и отложения продуктов физического выветривания водными потоками, реже ветром.

Пылеватые частицы могут быть представлены первичными минералами — кварца, полевых шпатов, карбонатов, чешуйками слюды, а также продуктами химического выветривания горных пород — полуторными окислами железа, алюминия, кремния и т.д. Они накапливаются под воздействием водных потоков или ветра.

Глинистые частицы имеют размер менее 0,005 мм и состоят из вторичных, так называемых глинистых, минералов, образующихся при химическом выветривании горных пород, что связано с процессами растворения, окисления, гидратации и гидролиза. Эти процессы протекают поразному в зависимости от климатических условий, состава и свойств пород, глубины их залегания, окружающей среды. В условиях прохладного влажного климата возникают глинистые минералы типа иллита и каолинита, жаркого влажного — типа монтмориллонита. Глинистые частицы имеют форму чешуек, иголок и листочков, обладая чрезвычайно развитой удельной поверхностью, поэтому для них физико-химические процессы приобретают решающее значение. Глинустые грунты относятся к поверхностноактивным телам.

Генезис, т.е. условия образования и происхождения, отражается на структуре и текстуре грунтов, которые вместе с гранулометрическим и

211

минералогическим составом скелета определяют строительные свойства грунтов: сжимаемость и сопротивляемость сдвигу, водонепроницаемость и пластичность.

Гранулометрический состав. Твердые частицы грунта состоят из зерен различной величины. Грунтовые частицы могут быть окатанными и неокатанными. От размеров, формы, состояния поверхности и возраста частиц зависят физические и механические свойства грунтов. Определенный интервал крупности частиц называется фракцией. Процесс разделения грунта на фракции называется гранулометрическим анализом, для чего используются различные методы: ситовой, отмучивания, ареометрический и др. Определяют гранулометрический состав согласно ГОСТ 12536-79.

Различают два основных вида зерен: компактной формы у песчаных грунтов и пластинчатой (чешуйки, иголочки или листочки) у глинистых. Песчаные грунты обычно просеивают последовательно через набор сит с отверстиями 10, 2, 0,5, 0,25 и 0,1 мм. Глинистые фракции выделяют обычно методом отмучивания исходя из закона Стокса по скорости осаждения взвешенных в воде частиц различных размеров. Результаты определения гранулометрического состава крупнообломочных и песчаных грунтов используют для установления их вида и однородности состава, руководствуясь классификацией согласно С Т Б 943-94 или ГОСТ 25100-95 (табл. 9.2).

При этом название грунта устанавливают по первому удовлетворяющему условию по преобладающему содержанию соответствующих фракций в порядке рассмотрения этих наименований в табл. 9.2, начиная сверху.

Если в крупнообломочном грунте имеется более 40 % песчаного или более 30 % глинистого заполнителя, должны приводиться также наименования вида заполнителя и указываться характеристики его состояния. Например, галечник с мелкопесчаным маловлажным заполнителем, гравий с суглинистым заполнителем мягкопластичной нонсистенции.

Для полного описания состава грунтов рекомендуется оценивать степень его неоднородности. С этой целью данные гранулометрического анализа наносятся на полулогарифмическую сетку (рис. 9.1).

По оси абсцисс откладывается диаметр частиц, а по оси ординат — их содержание в процентах. Затем по пересечениям линий, проведенным из

212

этих точек, строится кривая неоднородности. Эти графики дают возможность определить показатель максимальной неоднородности по формуле

родный, 20< ^тах— 40 — неоднородный, [ / т м > 4 0 — повышенной неоднородности.

Вода в грунтах. В порах грунта вода может быть в виде молеку- лярно-связанной (прочно- и рыхлосвязанной), гравитационной (капил-

213

лярной и свободной), льда (т.е. твердой при отрицательных температурах) и пара (газообразной при t > 100° С).

Рис. 9.1. Кривая неоднородности механического состава грунта

Минеральные частицы грунта заряжены отрицательно, а молекулы воды представляют собой диполи с положительным зарядом на одном конце (атом кислорода) и отрицательным на другом (два атома водорода). З а счет электромолекулярных сил взаимодействия атомы воды притягиваются с огромной силой (порядка сотен МПа) к минеральным частицам и образуют слой прочносвязанной (адсорбированной) воды. В этой связи близкие к частицам молекулы воды толщиной в 1...2 ряда невозможно отделить ни под внешним давления, ни под действием напора воды. Следующие слои молекул воды по мере удаления от поверхности частиц связаны меньшими силами, образуя рыхлосвязанную (лиосорбированную) оболочку и могут быть удалены под давлением в несколько МПа или же при температуре свыше 105° С.

Молекулы воды вне области электро-молекулярных сил взаимодействия образуют свободную воду, которая передвигается в грунте под действием разности напора, и капиллярную, поднимающуюся за счет сил капиллярного натяжения (лапласовых) в порах грунта тем выше (зона аэрации) от уровня подземных вод, чем мельче поры.

Каждый из перечисленных видов воды оказывает различное влияние на физико-механические свойства грунтов, причем в большей мере для

214

глинистых, как это было показано выше. Наибольшие неприятности строителям причиняет свободная вода в порах грунтов.

Газ в грунте. Газообразные включения могут находиться в грунте в замкнутом (защемленными или адсорбционные, располагающиеся в порах между частицами или их обволакивающем) и свободном (соединяющимися с атмосферой) состояниях или растворенными в поровой воде. Наличие защемленного и адсорбционного газа в порах грунта оказывает влияние на строительные свойства грунтов, искажая показатели сжимаемости за счет кажущейся упругости, снижая сопротивляемость сдвигу и уменьшая водопроницаемость. Свободный газ не влияет на эти свойства грунтов.

Структура и текстура грунтов. Физико-механические свойства дисперсных грунтов во многом определяются структурными связями между отдельными минеральными частицами и их агрегатами. Эти связи определяются свойствами минеральных частиц, водных растворов в порах, условиями накопления минеральных осадков и т.д. Различают следующие основные виды структурных связей:

—водно-коллоидные, которые формируются в результате электромолекулярных сил взаимодействия между минеральными частицами, пленками воды и коллоидными оболочками, причем они возрастают с уменьшением толщины оболочек, являются пластичными и обратимыми, могут снижаться вплоть до нулевого значения с увеличением влажности;

—кристаллизационные, образуются под действием химических реакций с растворенными в воде веществами, в результате которых возникают новые прочные и хрупкие поликристаллические соединения с минеральными частицами.

Большое влияние на свойства грунтов оказывает их структура, характеризуемая закономерностями сложения грунтовых частиц и связей между ними, которые обусловлены размерами, количественными соотношениями и формой самих частиц, а также особенностями их поверхности. При осаждении грунтовых частиц различного вида образуются сильно отличающиеся сложения (рис. 9.2)

Зернистая структура наиболее ярко выражена у крупнообломочных и песчаных грунтов, у которых пористость изменяется в пределах 20...50%.

215

шимся при осаждении без коагуляции в пресной воде глинистых и пылеватых частиц при взаимном притяжении силами, которые превышали их собственный вес. Неуплотненные грунты с сотообразным скелетом могут иметь пористость свыше 50% .

Хлопьевидное сложение образуется при коагуляции глинистых частиц в воде с растворенными солями. Грунты с такой структурой (морские илы) отличаются чрезмерно большой пористостью, достигающей 90...95%. За счет уплотнения хлопьевидное сложение может переходить в сотообразное.

Слитная структура характерна для визуально однородной массы из глинистых и пылеватых частиц.

Смешанная (каркасная) структура присуща моренным глинистым грунтам, состоящим из разнородных частиц: песчаных, пылеватых и глинистых, каркасом у которых служат крупные обломки.

На строительные свойства грунтов важное влияние оказывает их текстура. Под текстурой понимают строение слоя грунта, обусловленное ориентировкой и пространственным расположением его частиц и агрегатов, а также характеризуемое неоднородностью толщи в пластах.

Слоистая текстура (тонко и грубослоистая, ленточная, косослойная, сланцевая и др.) характерна для грунтов, образовавшихся при осаждении в разные периоды (летние и зимние) грунтовых частиц в воде с их чередованием по крупности зерен соответственно.

У озерно-ледниковых отложений ленточную текстуру образуют перемежающиеся тонкие слои глины и песка (пыли). Слоистость аллюви-

216

альных грунтов отличается горизонтальным расположением слоев. Флювиогляциальные отложения имеют косослойную или извилистую текстуру. Сланцеватая слоистая текстура присуща древним глинистым грунтам, подвергшимся значительному сжатию и частичной цементации.

Порфировую текстуру имеют некоторые обломочные грунты и моренные отложения.

Ячеистая текстура присуща засоленным глинистым грунтам, у которых усадочные трещины заполнены солями, также вспученным при неравномерном охлаждении.

Слитной (массивной и скрыто-слоистой) текстурой обладают древние глины и илы, а также лессы и лессовидные грунты в вертикальном сечении.

Слитная текстура также характерна для однородных несвязных грунтов.

Текстура грунтов обусловливает анизотропию их свойств, выражающуюся в различии их водопроницаемости, сжимаемости, сопротивляемости сдвигу и прочности в разных направлениях.

9.2.2. Физико-механические характеристики грунтов Физические характеристики грунтов. К основным физическим

характеристикам грунтов, которые определяют лабораторным анализом и отражают соотношение в них твердой, жидкой и газообразной (рис. 9.3)

217

результатам лабораторных исследований образцов грунта или полевых опытов.

Рис. 9.3. Составные части грунтов а — трехфазная система; б — двухфазная система

При определении показателей физико-механических свойств грунтов в лабораторных условиях используются монолиты природного сложения и влажности, полученные при инженерно-геологических изысканиях из шурфов и скважин. Из монолитов отбираются опытные образцы грунта для испытаний.

Относительной влажностью грунта называется отношение веса содержащейся в порах воды Cw к весу грунтового скелета Gs. Влажность определяется в относительных единицах W — Cw/Cs или в процентах w = W.100%. При определении влажности образцы грунта высушивают при температуре 105...110° С до получения постоянного веса.

Удельный вес грунта у, к Н / м 3 — отношение его веса GQ В КН (включая вес воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему ^ вм5 (рис. 9.3):

Удельный вес грунтов зависит от их минералогического состава, влажности, пористости и колеблется в значительных пределах. Его определяют по Г О С Т 5180-84 в зависимости от вида и состояния грунтов методами: режущего кольца, взвешивания в воде (с использованием парафинирования) или нейтральной жидкости (керосине) при мерзлом состоянии.

Удельный вес частиц грунта у , кН/м 3 — отношение веса твердых

218

Удельный вес частиц грунта изменяется в диапазоне от 24,0 до 32,0 кН/м3 . Его определяют по Г О С Т 5180-84 пикнометрическим методом.

Коэффициент пористости характеризует уплотненность грунтов и позволяет приближенно оценить их пригодность в качестве оснований сооружений. Если е < 0,5, грунт малосжимаем и основание довольно надежно. При е > 1 грунт сильносжимаем и ненадежен.

Между е й п существуют соотношения:.

От степени уплотненности и влажности зависит физическое состояние грунтов и их поведение в основаниях или откосах.

Поскольку при насыщении водой и высушивании объем песчаных грунтов остается постоянным, а глинистых изменяется, то характеристики их состояния различны.

219