Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Механика грунтов основания и фундаменты. Учебное пособие
.pdf
1111
Плотность грунта в сухом состоянии – «
ρ
d
» – это отношение массы
сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим
грунтом объему (включая имеющиеся в этом грунте поры). Чем больше
плотность грунта в сухом состоянии, тем больше сопротивление грунта
внешней нагрузке, а, следовательно, и более высокие механические по
казатели грунтов.
Межчастичная связность грунта – это сцепление между отдельны
ми частицами грунта. Она обусловливается различными факторами. Так,
в песках связность между частицами проявляется в результате трения, а
в глинистых грунтах – сцеплением между отдельными частицами грунта.
1.5. СТРУКТУРА И ТЕКСТУРА ГРУНТОВ
Под структурой грунтов понимают особенности строения грунтов,
включая форму, размеры, взаимное расположение, характер поверхно
сти и связи между отдельными элементами слагающими грунт.
Структура природных грунтов является важнейшим фактором, оп
ределяющим свойства грунтов как оснований и среды для возведения
сооружений, так как она в основном определяет сопротивляемость и де
формируемость грунтов под действием внешних сил.
При формировании структуры природных грунтов важное значение
имеют электромолекулярные силы взаимодействия между минераль
ными частицами и силы взаимодействия между частицами и водой.
Структура грунта может быть: зернистая, ячеистая, хлопьевидная.
Первая характерна для песчаных грунтов, вторая –для глинистых и
третья –для илов.
При свободном падении частиц, имеющих размеры песчаного зерна
более 0,05 мм, образуется простая зернистая структура, в которой пре
обладают силы тяжести.
Если силы сцепления в точках соприкосновения падающей частицы
с ранее осевшими настолько значительны, что превзойдут силу веса ча
стицы, то образуется ячеистая структура.
Если размер минеральных частиц менее 0,001 мм, то они уже будут
обладать свойствами коллоидных частиц и при погружении в воду дол
гое время будут находиться во взвешенном состоянии. При столкнове
нии частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпада
ют хлопьевидной массой.
Кроме этого, структура может быть:
– макропористая (видимая глазом) – в лессовых грунтах;
– микропористая;
– ненарушенная;
– нарушенная.
Ненарушенная структура – это природное сложение грунта, нарушен
ная вызвана разрушением механическим путем.
При определении механических показателей свойств грунтов необ
ходимо пользоваться образцами грунта ненарушенной структуры.
Текстурой грунтов называется их сложение, т.е. пространственное
размещение и взаимное расположение частиц грунтов и их агрегатов,
зависящее от условий накопления осадков.
Например, в озерах ледникового периода образовались пылеватогли
нистые отложения с характерной слоистой текстурой. Они представля
ют собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших
в зимний период подо льдом, и пылеватых песчаных частиц, оседавших
в теплый период года.
Различают слоистую, слитную и сложную текстуру.
Слоистая – наиболее распространенный вид сложения грунтов, ха
рактерный для морских, озерных и других отложений.
Слитная – присуща морским отложениям, имеющим однородное сло
жение в различных точках массива.
Сложная – порфировая, ячеистая, макропористая.
1.6. ВИДЫ ВОДЫ В ГРУНТАХ И ЕЕ СВОЙСТВА
Грунт всегда содержит в себе воду, находящуюся в жидком, твердом
и газообразном состоянии.
Вода в жидком состоянии в порах грунта находится в капельножид
ком виде, частью же образует вокруг каждой частицы грунта уплотнен
ные, притянутые к этой частице оболочки, которые образуются в ре
зультате действия электромолекулярных сил притяжения воды к
минеральной частице.
Минеральные частицы грунтов заряжены отрицательно, а молекулы
воды представляют собой диполи, заряженные положительно на одном
конце (атом кислорода) и отрицательно на другом (два атома водорода)
конце. При соприкосновении твердой минеральной частицы с водой возни
кают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают
диполи воды к поверхности минеральных частиц с огромной силой (осо
бенно первые слои), и чем больше удельная поверхность частиц, тем боль
шее количество молекул воды будет находиться в связанном состоянии.
На рис. 1.6.1 показана схема электромолекулярного взаимодействия
поверхности минеральных частиц с водой.
Электромолекулярные силы взаимодействия очень велики и у по
верхности частиц составляют около 1000 МПа. По мере удаления от по
верхности твердых частиц они быстро убывают и на некотором рассто
янии уменьшаются до нуля.
Самые близкие к минеральной частице слои в 1–3 ряда молекул во
ды образуют пленки так называемой прочносвязанной адсорбирован
ной воды (2).
1122
Рис. 1.6.1. Схема электромолекулярного взаимодействия
поверхности минеральной частицы с водой
Следующие слои молекул воды, окружающей минеральные части
цы, будут связываться и ориентироваться по мере удаления от твердой
поверхности грунтовых частиц все меньшими силами. Они образуют
слои рыхлосвязанной воды (3), которые поддаются выдавливанию из
пор грунта внешним давлением до 1 МПа.
Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия электромолеку
лярных частиц, будут образовывать свободную (4) гравитационную во
ду, движение которой происходит под действием разности напора, и ка
пиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня грунтовых
вод силами капиллярного натяжения.
Прочносвязанная вода обладает рядом свойств, которые отличают
ее от обычной воды. Прочносвязанная вода обладает пониженной спо
собностью к растворению. Рядом исследователей установлено, что
прочносвязанная вода имеет повышенную плотность, доходящую до
1,74 г/см
3
. Такая плотность может иметь место лишь при давлении в не
1133
1
2
3
Катионы
4
Рw
r
1 – минеральная частица;
2 – вода связанная;
3 – вода рыхлосвязанная;
4 – свободная вода
0
2
3
4
сколько десятков тысяч атмосфер. Прочносвязанная вода обладает спо
собностью сопротивляться сдвигу, т.е. приобретает признаки упругого
твердого тела. Она замерзает при температуре, значительно более низ
кой, чем t = 0
о
, а часть связанной воды, наиболее близкая к поверхнос
ти грунтовой частицы, не замерзает вообще. Прочносвязанная вода не
обладает электропроводностью.
Рыхлосвязанная вода из всех особых свойств, присущих прочносвя
занной воде, сохраняет пониженную растворяющую способность. Кро
ме того, она также обладает и некоторыми особыми механическими
свойствами, промежуточными между свойствами свободной и прочно
связанной воды.
1.7. ПРИРОДА ВНУТРЕННЕЙ СВЯЗАННОСТИ
ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
Природа внутренней связанности глинистых грунтов обусловлива
ется тремя факторами:
а) конденсацией;
б) коагуляцией;
в) кристаллизацией.
Конденсация представляет собой преобразование парообразной вла
ги путем адсорбции ее на поверхности глинистых частиц.
Адсорбцией называется физикохимический процесс поглощения
поверхностью твердого тела веществ из раствора и газа.
Адсорбция в грунтах проявляется в том, что на поверхности или на
грани кристаллов происходит увеличение концентрации молекул во
ды, что является результатом уплотнения окружающей частицу грун
та водной оболочки. Поглотитель, вызывающий притяжение, называ
ется адсорбентом, а поглощенное или притягиваемое вещество –
адсорбантом.
Коагуляцией называется осаждение и затвердение геля кремниевой
кислоты на поверхности частиц и их контактов. Действие геля анало
гично действию клея.
Кристаллизация – это природный процесс, при котором происходит
цементация солей на контактах частиц, выпадающих из растворов в
грунте.
Взаимодействие частиц скелета с водой происходит по поверхности
контакта между ними, т.е. по поверхности частиц.
Характер и интенсивность поверхностных явлений в грунтах зави
сят в основном от степени дисперсности грунта и от интенсивности дей
ствующих на единице поверхности сил. Чем выше степень дисперсно
сти, тем больше площадь поверхности частиц.
1144
Удельной поверхностью грунта называют суммарную площадь по
верхности частиц, содержащихся в 1 см
3
грунта, т.е. отношение площа
ди поверхности частиц к их объему.
Удельная поверхность очень быстро увеличивается по мере умень
шения размера частиц. Так, например, для шаров диаметром 0,005 мм –
4500 см
2
. Для глинистых частиц величина удельной поверхности дости
гает миллионов квадратных см.
Таким образом, благодаря большой величине удельной поверхности
глинистые частицы обладают в десятки тысяч раз большей адсорбцион
ной способностью, чем пески.
На внутреннюю связность глинистых грунтов большое влияние ока
зывает влажность грунта. Изменение влажности вызывает изменение
строительных свойств глинистых грунтов.
При наличии прочносвязанной воды глинистый грунт находится в
твердом состоянии, при наличии рыхлосвязанной воды глинистый
грунт находится в пластичном состоянии, при наличии свободной воды
глинистый грунт переходит в текучее состояние.
Если глинистый грунт находится в маловлажном состоянии и в нем
имеется лишь прочносвязанная вода, он представляет собой материал,
обладающий значительным сопротивлением механическим воздейст
виям. Водные оболочки прочносвязанной воды являются настолько
плотными, что они сопротивляются сжатию, сдвигу и растяжению как
твердые тела. Поэтому грунт в таком состоянии обладает упругостью,
высоким сопротивлением сжатию и сдвигу.
В случае значительного увлажнения глинистого грунта отдельные
частицы вместе с молекулярными оболочками как бы плавают в сво
бодной воде. Поэтому никаких явлений связности за счет молекуляр
ных оболочек не имеется, и сопротивление сдвигу ничтожно. Оно немно
го проявляется лишь вследствие трения водных оболочек между собой.
При этом грунт находится в текучем состоянии, т.е. ведет себя как тя
желая жидкость.
1.8. СТРУКТУРНЫЕ СВЯЗИ В ГРУНТАХ
Внутренние связи в грунтах, возникающие в процессе формирова
ния и дальнейшего существования, носят название структурных связей.
Прочностные свойства дисперсных грунтов в основном определяются
структурными связями между отдельными минеральными частицами и
их агрегатами. В основе этих связей лежат молекулярные силы электро
магнитной природы. Молекулярные силы могут возникать при очень
тесных контактах между твердыми частицами и расстояниях между
ними порядка нескольких рядов молекул. Они носят название сил Ван
дерВаальса. Наличие структурных связей в грунтах и их жесткость,
1155
упругость, прочность и характер являются важными факторами, опре
деляющими поведение грунтов под сооружениями.
Структурные связи могут возникать при осаждении грунтовых час
тиц в воде или образуются в последующем процессе диагенеза. (Диаге
нез – это природный процесс, при котором грунт преобразуется в дру
гую породу).
По времени возникновения структурные связи подразделяются на
первичные и вторичные.
Первичные связи (или сцепление уплотнения) обусловливаются мо
лекулярными силами взаимодействия между минеральными частица
ми, а также между минеральными частицами и водой.
Вторичные связи (или сцепление упрочнения) возникают в резуль
тате старения коллоидов, их перекристаллизации и процессов кристал
лизации растворенных в грунтовой воде солей.
Глинистые осадки, выпадающие из водной среды, удерживают пер
воначально большее количество связанной воды на поверхности частиц,
образующих хлопья в процессе свертывания и выпадения в осадок.
Связи между отдельными частицами осуществляются через водные
пленки. Такие связи относительно слабы и подвижны.
Академик П.А. Ребиндер назвал структурные связи водонасыщен
ных грунтов коагуляционными.
С течением времени под влиянием уплотнения и уменьшения перво
начальной влажности грунтовые частицы начинают соприкасаться не
посредственно между собой без разделения их пленками связной воды.
В этих условиях в точках контакта между частицами возникают силы
взаимного молекулярного притяжения. Структурные связи этого типа
названы конденсационными.
Конденсационные связи значительно прочнее коагуляционных, од
нако при впитывании глинистым грунтом воды в контактах между
грунтовыми частицами вновь появляются водные пленки, и конденсаци
онные связи снова переходят в коагулиционные. Такой процесс можно
наблюдать при размокании сухого затвердевшего глинистого грунта, по
груженного в воду.
Длительные геологические процессы уплотнения и обезвоживания
глин с частичным переходом конденсационных связей в кристаллиза
ционные приводят к образованию твердых неразмокающих в воде оса
дочных пород – аргиллитов.
Возникновение кристаллизационных структурных связей в глинис
тых грунтах может происходить также вследствие выделения из вод
ных растворов цементирующих веществ: углекислот, извести, гипса и
др. Такие связи обычно недостаточно водоустойчивы.
Исходя из изложенного, можно различать следующие виды струк
турных связей в грунтах:
1166
а) водноколлоидные связи (коагуляционные и конденсационные) –
вязкопластичные, мягкие, обратимые;
б) кристаллизационные – хрупкие (жесткие), необратимые.
Водноколлоидные связи обусловливаются электромолекулярными
силами взаимодействия между минеральными частицами и пленками
воды, а с другой стороны –между коллоидными оболочками. Величина
этих сил зависит от толщины пленок и оболочек. Чем тоньше воднокол
лоидные оболочки, тем эти связи будут больше, так как, по В.С. Шарову,
с уменьшением толщины оболочки увеличивается молекулярное при
тяжение диполей связанной воды и склеивающее действие веществ.
Кристаллизационные связи образуются под воздействием сил хи
мического сродства, образуя с минеральными частицами новые проч
ные, но хрупкие и не восстанавливающиеся при разрушении связи.
1.9. СТРУКТУРНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
ГРУНТА УПЛОТНЕНИЮ, ЕГО СУЩНОСТЬ
И СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
С каким бы грунтом ни имели дело строители, прежде всего он их ин
тересует с точки зрения способности сопротивляться деформациям,
возникающим под действием внешних сил. Эти деформации появляют
ся лишь в случае перемещения частиц внутри массива грунта, являю
щихся структурными элементами последнего. Этому препятствуют
имеющиеся между ними связи, называемые структурными. Эти связи
удерживают частицы в определенных пространственных соотношени
ях и помогают глинистым и песчаным грунтам сохранять скелет. Когда
эти связи нарушаются, взаимному перемещению частиц препятствуют
силы сопротивления сдвигу на их поверхности, необходимость преодо
левать вес, инерцию деформирующегося грунта и давление всех выше
лежащих слоев грунта.
Структурное сопротивление грунта уплотнению «Р
су
» – это давле
ние, при котором отсутствует деформация грунта.
Как известно, глинистый грунт представляет собой сложное дис
персное образование и включает в себя не только минеральные части
цы, но также воду в различных состояниях, коллоиды, соли и другие ве
щества и газы.
При рассмотрении сущности структурного сопротивления грунта уплот
нению необходимо в первую очередь выявить влияние на эти связи воды.
Естественно, что, учитывая незначительные размеры глинистых ча
стиц (< 0,002 мм), можно рассматривать влияние воды на связность этих
частиц только в том случае, если толщина пленок воды будет минималь
ной, порядка менее 0,001 мм.
1177
Структурное сопротивление грунта уплотнению «Рсу» зависит так
же от влияния коллоидов и солей.
Величину структурно
го сопротивления грунта
уплотнению можно опре
делить, если образец грун
та ненарушенной структу
ры испытать в приборе на
действие сжимающей на
грузки. При выполнении
этого испытания необходи
мо начинать с минимальной
нагрузки, равной 0,005 МПа
(5 кПа), постепенно увели
чивая ее ступенями, рав
ными 0,005 МПа, до получе
ния осадки, равной 0,5 мм.
Эта осадка будет эквивалента структурному сопротивлению грунта уп
лотнению (рис. 1.9.1).
Р, МПа
Р
су
0,5 мм
10
20
30
S, мм
Рис. 1.9.1. График определения
величины структурного сопротивления
грунта уплотнению
Глава 2 ФИЗИЧЕСКИЕ И КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ
ПОКАЗАТЕЛИ ГРУНТОВ
Грунтами называются горные породы, залегающие в верхних слоях
земной коры и используемые в строительстве. Грунты в строительных
целях подразделяются на скальные, крупнообломочные, песчаные и
глинистые.
Физические свойства грунтов могут быть выражены различными
характеристиками, которые определяются опытным путем в лаборато
рии и носят название основных, либо вычисляются по формулам и на
зываются производными. К основным физическим характеристикам
грунтов относятся: плотность частиц грунта, плотность грунта, при
родная влажность, влажность грунта на границе текучести, влаж
ность грунта на границе раскатывания, гранулометрический или зер
новой состав, коэффициент фильтрации.
К производным физическим характеристикам относятся: плотность
грунта в сухом состоянии, пористость, коэффициент пористости, сте
пень влажности, число пластичности, показатель текучести.
2.1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ
Для рассмотрения физических характеристик выделим условно из
грунта единичный объем и мысленно разделим его на две части: одну,
занятую твердыми частицами объемом V
ск
, и другую, занятую порами,
расположенными между этими частицами, объемом V
n
(рис. 2.1.1). Про
странство, занятое порами, можно также разделить на две части, одна
из которых занята водой V
в
, а другая газом V
газа
. Пусть масса твердой
части в объеме V
ск
будет mск, а масса воды будет mв.
Тогда:
а) плотность частиц грунта
ρ
s
= mск/Vск– отношение массы сухого
грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого
грунта;
б) плотность грунта
ρ
= (mск+ mв)/(Vск+ Vn);
в) природная влажность – W = m
в/mск
– отношение массы воды, со
держащейся в порах, к массе абсолютно сухого грунта, выраженная в
долях единицы.
1199
Для пылеватоглинистых грунтов дополнительно определяют:
г) влажность грунта на границе текучести W
L
= mв/mск– отноше
ние массы воды, содержащейся в грунте, к массе грунта, высушенного
при температуре 100–105
о
С до постоянного веса.
При влажности на границе текучести грунт переходит из пластиче
ского состояния в текучее;
д) влажность грунта на границе раскатывания W
р
– влажность, при
которой грунт из пластического состояния переходит в твердое.
W
L
и Wропределяются путем приготовления специальных паст гли
нистого грунта;
е) коэффициент фильтрации – k
ф
, м/сутки – характеризует степень
водопроницаемости грунта.
Различные грунты имеют разные коэффициенты фильтрации. Так,
например, песок – 1. . . 80 м/сутки; супесь – 0,1.. . 1 м/сутки; суглинок –
0,01.. . 0,1 м/сутки; глина – 0,01 м/год. . . 0,01 м/сутки.
Коэффициент фильтрации используется при расчете осадки во вре
мени, а также при откопке котлована, чтобы узнать приток воды.
При расчете оснований и, в частности, при вычислении напряжений
от собственного веса грунта, расчетного сопротивления грунта основа
ния, давления на подпорные стенки и т.д. вместо характеристик плотно
сти
ρρ
s
и ρρиспользуются характеристики грунта
γγ
s
и γγ, где:
γγ
s
=
ρρ
s
· g – удельный вес частиц грунта, кН/м3; g – ускорение свобод
ного падения (g ≅ 10 м/см
2
);
γγ= ρρ
· g – удельный вес грунта, кН/м
3
.
«
ρρ
s
» определяется с помощью пикнометра и навески грунта (~50 г),
высушенного при t = 100…105
о
С до постоянного веса.
«ρρ» определяется в лабораторных условиях двумя методами:
а – с помощью режущих колец;
б – методом парафинирования.
«W» определяется путем высушивания образца грунта в сушильном
шкафу при t = 100…105
о
С до постоянного веса.
2200
V
ск
m
ск
V
n
Vгаза
Vводы
m
в
V
n
Рис. 2.1.1. Условная схема объема грунта
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]