Литература по Основам грунтоведения / Ухов_Механика Грунтов_учебник

Рис. 1.8. Характер контактов зерен в песчаных и крупнообломочных грунтах:

а— сильно скатанные зерна; б — то же, слабо окатанные

1.5.Трещины и их влияние на свойства грунтов

Трещины частой сетью разбивают скальные, а также плотные глинистые и изредка песчаные грунты, оказывая влияние на устойчивость откосов, фильтрацию и другие процессы в грунтах. По степени расчлененности трещинами удобно различать два крайних типа скальных грунтов (рис. 1.9):

монолитный грунт, в котором трещины если и есть, то не пересекаются (рис. 1.9,

а);

разборный грунт, в котором трещины образуют густую сеть, пересекаются и полностью разделяют обломки породы (рис. 1.9, в).

Между этими двумя крайними типами помещается переходный тип — трещиноватый скальный грунт (рис. 1.9, б), в котором трещины частично пересекаются, но не полностью отчленяют блоки породы, а между монолитными блоками сохраняются мостики (целики) прочного скального грунта.

Скальный грунт, даже трещиноватый и разборный, обладает очень высокой прочностью и практически несжимаем в сравнении с нескальным грунтом. Различия в свойствах вытекают из принципиальной разницы в их строении. В нескальном грунте частицы соприкасаются в отдельных точках, между частицами имеются поры, размеры которых соизмеримы с размерами частиц (рис. 1.9, г). Это допускает некоторую свободу перемещения частиц в массе грунта, обусловливает высокое напряжение в контактах между частицами и в конечном счете облегчает деформирование и разрушение материала в контактах. В скальном массиве зерна сцементированы и образуют плотные породы. Относительное их перемещение в породе исключается по крайней мере при напряжениях, обычных для промышленного и гражданского строительства. Перемещения в массиве возможны только по трещинам, но и тут они сильно затруднены. Ширина трещин составляет сотые или тысячные доли от объема массива, поэтому даже значительное относительное сужение трещин при сжатии не ведет к заметной объемной деформации массива. Сдвиг по трещинам возможен, но ему в определенной мере препятствует то, что вдоль трещины выступы одного блока, как правило, входят во впадины другого. Это определяет относительно высокую механическую прочность даже разборного массива.

Трещины в скальных грунтах могут быть частично или полностью заняты нескальным грунтом. Присутствие глинистого грунта в трещинах сильно снижает прочность скального грунта, особенно при его обводнении. Деформируемость при этом практически не увеличивается.

На свойства скального грунта значительное влияние оказывает частота трещин. При расстоянии между трещинами 10 см и менее сеть трещин следует называть частой. Если трещины следуют через 10...100 см, это сеть средней частоты. При

расположении трещин через 100 см и более, сеть трещин считается редкой. Положение каждой отдельной трещины в массиве скального грунта можно ха-

рактеризовать следующими параметрами: углом падения Р, равным углу между плоскостью трещины и горизонтальной плоскостью (измеряется на вертикальной плоскости); азимутом направления падения а — азимутом вертикальной плоскости,

вкоторой измерен угол B; шириной раскрытия трещины b; длиной трещин L.

Внастоящее время установлено, что характеристика трещиноватости важна не только для скальных, но и для глинистых грунтов. Древние плотные глинистые грунты всегда имеют сеть трещин, по которым идет замачивание массива, отрыв и соскальзывание при оползнях. В связи с этим при изучении прочных глинистых грунтов типа морены и дочетвертичных морских глин нельзя пренебрегать их трещиностостью.

Рис. 1.9. Строение скальных (а — в) и нескальных (г) грунтов (по Л. Мюллеру).

ГЛАВА 2

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ, СТРОЕНИЕ ОСНОВАНИЙ

2.1. Основные физические характеристики грунтов

Значение характеристик. Оценка каждой конкретной разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов делает неизбежным введение значительного числа таких характеристик. Некоторые из них непосредственно применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, другие — для классификации грунтов. Количественные показатели одних характеристик всегда определяются из опытов, чаще всего с образцами грунта, других — расчетом по значениям определенных в опытах показателей.

Соответствие полученных таким образом характеристик состоянию грунта, залегающего в основании или составляющего тело сооружению, является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов. Поэтому отбор образцов для определения характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспортировка их производятся так, чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных условиях залегания или в теле грунтового сооружения. Прав шла отбора, упаковки и транспортировки образцов, а также методики определения их физических характеристик регламентируются: ГОСТ 30416 — 96 и изложены в соответствующих руководствах. Лабораторные занятия по определению физических характеристик: грунтов являются неотъемлемой частью курса; методики определения характеристик подробно рассматриваются в специальных пособиях.

Характеристики плотности, влажности и пористости грунта. Следуя рис. Ж..2, представим себе некоторый объем V трехкомпонентного грунта массой М, разделенный на отдельные компоненты, где V\, mu Vs., т2, V3, m3 — соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной

Удельный вес сухого грунта (скелета грунта) получается аналогично зависимости (2.2): yd=Pdg=y/(1+w). (2.7)

Пористость грунта определяется как отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта:

Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта обозначают через /я=

Величины п и т обычно выражаются в долях единицы, иногда в процентах. В большинстве случаев пористость нескальных грунтов колеблется от 0,3 до 0,5, но для лѐссовых и илистых грунтов может достигать значительно более высоких значений.

Используя формулы (2.4) и (2.6), легко получить m=pj/pJt а учитывая (2.9), п= 1 -Pdlp, Коэффициент пористости грунта в равен отношению объема пор к объему твердых частиц e = n/m=n/( 1-й), откуда

Из определения коэффициента пористости грунта можно получить

Коэффициент пористости грунта является одной из важнейших характеристик и непосредственно используется в расчетах. Для песчаных грунтов коэффициент пористости с достаточной точностью характеризует плотность их сложения (плотность взаимной упаковки частиц) и используется как классификационный показатель.

Понятия «пористость» и «влажность» грунта определенным образом связаны между собой. Введем понятие влажности, соответствующей полному водонасыщению грунта, т. е. случаю,

когда все поры заполнены водой,— wsat. Эта величина часто называется полной влагоемкостью грунта. Масса воды, заполняющей все поры некоторого объема грунта V, будет равна m2 = nVpw, где рч — плотность воды. Масса твердых частиц грунта в этом объеме m = mVps. Тогда, используя определение влажности и учитывая выражения (2.10), получим

где yw — удельный вес воды.

Степень влажности (степень водонасыщения) Sr определяется как отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости.

Тогда, учитывая (2.12), можно записать

По определению, степень влажности может изменяться от 0 в случае абсолютно сухого грунта до 1 при полном заполнении пор водой. Степень водонасыщения значительно сказывается на изменении свойств песчаных грунтов и используется как классификационный показатель.

Ниже уровня подземных вод частицы грунта испытывают взвешивающее действие воды. Тогда в единице объема грунта удельный вес взвешенных частиц составит у,—yw. Поскольку их объем т=1/(1+е), можно определить удельный вес грунта во взвешенном состоянии

Характеристики консистенции глинистых грунтов. Свойства глинистых грунтов существенно изменяются в зависимости от их влажности. Сильно увлажненный глинистый грунт обладает способностью растекаться, при подсушивании он переходит в пластичное состояние, а при дальнейшем уменьшении влажности — в твердое.

По консистенции различают три состояния глинистого грунта: твердое, пластичное и текучее (рис. 2.2). Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности,

называемые границей раскатывания (нижний предел пластичности) vvP и границей текучести (верхний предел пластичности) wL.

Для практического определения влажности, соответствующей нижнему пределу пластичности, грунтовое тесто увлажняют (или подсушивают) до такого состояния, чтобы при раскатывании его в шнур толщиной порядка 3 мм он начал распадаться на отдельные кусочки. Верхний предел пластичности соответствует такому состоянию влажности грунтового теста, когда стандартный конус погружается в него на глубину 10 мм. Несмотря на то что способы определения этих границ и сами границы весьма условны, точность определения величин wP и wL вполне удовлетворительна.

Сравнение естественной влажности глинистого грунта с влажностью на границе текучести и границе раскатывания позволяет установить его состояние по консистенции (рис. 2.2). Для этого используют показатель текучести IL, являющийся важной классификационной характеристикой глинистых грунтов:

Очевидно, что при w<wP (показатель текучести h<0) грунт находится в твердом состоянии, при w>wL (1г.>1) — в текучем, а при wP^ w<wL (0</L< 1) — в пластичном состоянии.

Разница между границей текучести и границей раскатывания называется числом пластичности грунта:

Чем больше в грунте относительное содержание глинистых частиц, тем больше оказывается величина 1Р.

В соответствии с ГОСТ 25100 — 95 по числу пластичности определяются типы глинистого грунта: супесь — 0,0К/р< <0,07, суглинок — 0,07</,,^0,17, глина — /,>0Д7.

Поскольку песчаные грунты обычно не обладают способностью раскатываться в шнур или при малом содержании глинистых частиц показывают практически одинаковые величины wP и wL, число пластичности для песчаных грунтов ничтожно мало: 1Р<0,01.

Другие характеристики грунта.

В строительной практике кроме рассмотренных выше используются и другие характеристики состава и состояния грунтов. Как правило, они применяются для более детального описания

терминологии, они выражают засоленность, набухаемость, льдистость, содержание органического вещества. Эти характеристики будут рассматриваться в последующих главах учебника по мере необходимости.

Рис 2 2 Консистенция и изменение показателя текучести IL в зависимости от влажности и Wp — влажность на границе раскатывания,

и>£ — влажность на границе текучести, 1р —число пластичности

Нормативные и расчетные значения физических характеристик.

Грунтовая толща, как правило, неоднородна и состоит из инженерно-геологических элементов (слоев грунта). Но в пределах каждого элемента характеристики грунта не совсем постоянны, а изменчивы как случайные величины. Поэтому для того, чтобы указанные выше физические характеристики в среднем отражали свойства грунта слоя, из него должно быть отобрано достаточное для статистической обработки результатов количество проб грунта. В ГОСТ 20522 —

96 приводятся рекомендации по выделению инженерно-геологических элементов и способы статистической обработки результатов определения характеристик.

Различают нормативные и расчетные значения физических характеристик грунта.

Для определения нормативной характеристики прежде всего находится среднее арифметическое значение результатов частных определений этой характеристики:

где n— число определений характеристики (объем выборки); X, — частные значения определяемой характеристики.

Далее проверяют, не содержатся ли среди частных определений X, какие-либо данные с грубым отклонением от общей совокупности результатов. Исключению из общей выборки подлежат максимальные или минимальные значения Х„ для которых выполняется условие

где v — статистический критерий, принимаемый по табл. 2.1; 5А, — оценка среднего квадратичного отклонения:

Если такие отскоки отсутствуют, в качестве нормативной характеристики принимают среднее арифметическое значение ХЛ=Х. Если отскоки имеются, то эти значения исключаются из выборки, вновь определяется среднее арифметическое и вновь делается проверка на наличие отскоков. После такой чистки должно быть п 5= 6.

Принятое таким образом нормативное значение характеристики из-за естественной неоднородности грунта и ограниченного количества определений всегда на какую-то неопределенную величину отклоняется от истинного искомого значения (математического ожидания). Следовательно, нормативное значение содержит некоторую погрешность. Чтобы снизить ее влияние на проект сооружения, в расчетах используются не нормативные, а так называемые расчетные характеристики свойств грунтов.

Таблица 2.1. Значения статистического критерия v при двусторонней доверительной вероятности

а=0,95

Расчетная характеристика X определяется делением нормативной характеристики Хв на коэффициент надежности по грунту:

Для всех физических характеристик, кроме плотности грунта, СНиП 2.02.01 — 83* допускает принимать у?=1. Коэффициент надежности по грунту при вычислении расчетного значения плотности грунта устанавливается в зависимости от изменчивости этой величины, числа определений и значений доверительной вероятности. Общие правила определения коэффициента надежности по грунту изложены в § 4.6. Следует иметь в виду, что расчетное значение удельного

веса грунта устанавливается по расчетному значению плотности грунта умножением ее на ускорение свободного падения.

2.2. Классификация грунтов

Классификация грунтов построена так, чтобы конкретизировать, сделать определенным и стандартным наименование и описание конкретного грунта. Это необходимо для обеспечения надежного взаимопонимания между специалистами — геологами, геотехниками, проектировщиками и строителями. При этом в многомерном, непрерывном пространстве признаков, характеризующих сложный и многообразный комплекс природных и техногенных грунтовых образований, установлены классификационные границы, разделяющие грунты на различные иерархические уровни (классы, группы, подгруппы, типы, виды, разновидности). Поскольку в действительности признаки, характеризующие грунты, не дискретны, а имеют плавные переходы, эти границы всегда условны. Поэтому в классификациях, разработанных в различных странах, а иногда и для различных видов деятельности (строительная, дорожная и другие классификации), могут иметь место некоторые несоответствия.

Вотечественной классификации грунтов, установленной ГОСТ 25100 — 95, как это принято и в мировой классификации, на высшем иерархическом уровне выделяют класс высокопрочных природных скальных грунтов и относительно малопрочных природных дисперсных грунтов. Кроме того, в отдельные классы выделяются природные мерзлые грунты, имеющие широкое распространение на территории России, и техногенные грунты (скальные, дисперсные, мерзлые — измененные физическим или химико-физическим воздействием человека). В каждом классе выделяются по характеру связей группы грунтов (в двух первых — скальные и полускальные, связные и сыпучие). Далее, например дисперсные грунты по своему типу разделяются на минеральные (связные по виду — глинистые, несвязные — пески, крупнообломочные грунты), органоминеральные (связные — илы, сапропели и др.), органические (связные — торфы и др.). Дальнейшее разделение на разновидности производится по зерновому составу, числу пластичности, показателю текучести и т. д.

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмотренных в § 2.1 характеристик грунтов. Во многих случаях обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его строительных свойств, используемые в предварительных расчетах и для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений. Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100 — 95. Ниже дается упрощенная классификация важнейших грунтов. Другие будут рассмотрены в соответствующих разделах курса.

Классификация крупнообломочных грунтов. Наименование типа грунта устанавливается по относительному содержанию в общей массе частиц той или иной крупности в соответствии с табл. 1.2. При наличии в заполнителе крупнообломочного грунта (среди частиц, оставшихся после удаления фракций крупнее 2 мм) песчаных частиц более 40% от общей массы сухого грунта, пылева-тых или глинистых частиц более 30% к наименованию крупнообломочного грунта дополняется наименование заполнителя (например, гравийный грунт с песчаным, пылеватым или глинистым заполнителем).

Взависимости от степени влажности различают следующие разновидности крупнообломочных грунтов:

Насыщенные водой ……………….0,8< Sr <1,0

Классификация песчаных грунтов. Наименование песка устанавливается по размеру частиц (табл. 2.2), плотности сложения, степени влажности, показателю неоднородности Си [см. формулу (1.1)]; при необходимости в наименовании отмечается минеральный состав и другие особенности. Наименование точно может быть установлено только по лабораторным анализам. Оно может быть, например, таким: песок мелкий, рыхлый, маловлажный, неоднородный, засоленный.

Таблица 2.2. Разделение песков по коэффициенту пористости е

Классификация глинистых грунтов. Если в массе глинистого грунта содержится 15...25% крупнообломочных частиц, к наименованию грунта добавляется наименование этих частиц (например, суглинок со щебнем, супесь с гравием). При содержании таких частиц от 25 до 50% название грунта меняется: суглинок щебенистый, супесь гравелистая и т. д.

Разновидность глинистого грунта определяют также по показателю текучести IL\

Иногда к характеристике глинистого грунта добавляется и значение коэффициента пористости, просадочности, набухаемости.

Классификация скальных грунтов также производится с помощью ГОСТ 25100 — 95. Типы и виды скальных грунтов выделяются по петрографическому составу слагающих их пород и по структурно-текстурным особенностям породы. В отличие от нескальныхгрунтов в качестве основной характеристики разновидности скальных грунтов ГОСТ принимает предел прочности на одноосное сжатие образцов в водонасыщенном состоянии Rc (МПа). Различают скальные грунты:

Скальные грунты при Д;<5 МПа называют полускальными. В наименовании учитывают выветрелость, растворимость и др.

В инженерной практике часто используют обобщенные характеристики трещиноватости скальных пород: КТП — коэффициент трещинной пустотности, М^ — модуль трещиноватости. Коэффициентом, трещинной пустотности называют отношение объема трещин к объему скальных блоков. Формально эта характеристика аналогична пористости нескальных грунтов. Но если в обычных условиях для нескальных грунтов п колеблется от 0,3 до 0,5, то для скальных грунтов КТП составляет сотые и даже тысячные доли единицы, достигая в исключительных случаях значения ОД...0,15. Модуль трещиноватости — это количество трещин на 1 м длины обнажения скального грунта. Максимальные значения этого показателя приближаются к 100, минимальные составляют доли единицы.

С использованием этих показателей разработаны различные способы классификации трещиноватых скальных пород.

2.3. О связи физических и механических характеристик грунтов

Классификация грунтов позволяет не только определить данный грунт, т. е. выделить его среди многообразия других грунтов, но и часто установить ориентировочные значения его прочностных и деформационных характеристик. Действительно, прочность и деформируемость грунтов непосредственно связаны с их физическими свойствами и состоянием. Например, увеличение пористости песчаного или глинистого грунта (увеличение коэффициента пористости) при прочих равных условиях непременно повлечет за собой снижение его прочности и повышение деформируемости. Соответственно увеличение влажности (показателя консистенции) глинистого грунта также при прочих равных условиях приведет к снижению его прочности и повышению деформируемости. Следовательно, установление связей между физическими и механическими характеристиками грунтов в определенных условиях правомочно.

Так, в частности, основываясь на обобщении огромного количества испытаний, СНиП 2.02.01 — 83* допускает для предварительных расчетов оснований, а также для окончательных расчетов

оснований зданий и сооружений II и III классов и опор возводимых линий электропередачи и связи независимо от их класса определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам. С этой целью в СНиПе приводятся таблицы нормативных значений прочностных и деформационных характеристик некоторых разновидностей песчаных и глинистых грунтов и значения соответствующих коэффициентов надежности по грунту.

Важной характеристикой несущей способности является расчетное сопротивление грунтов основания До (кПа), ориентировочно оценивающее допускаемое давление на данный грунт под подошвой фундамента, имеющего ширину 1 м и глубину заложения 2 м.

СНиП 2.02.01 — 83* допускает назначать предварительные размеры фундаментов исходя из этой величины. Кроме того, значение величины Ло для различных слоев при сложном напластовании позволяет на ранней стадии изысканий, определив только физические характеристики грунтов, провести приблизительную сопоставительную оценку их несущей способности.

СНиПом рекомендуются следующие расчетные сопротивления песчаных и глинистых грунтов

(табл. 2.3, 2.4).

2.4. Геологическое строение оснований

Сооружение редко располагается на одном грунте. Обычно в основании оказывается несколько типов грунтов (рис. 1.1). Тогда кроме оценки свойств каждого грунта возникает не менее важная задача — схематизация геологического строения основания, т. е. выделение внутренне однородных объемов разных грунтов и проведение границ между ними. Эта задача подробно

рассматривается в курсе инженерной геологии. Здесь же остановимся лишь на некоторых принципиальных вопросах.

По предложению Н. В. Коломенского однородные части в геологической среде называют инженерно-геологическими элементами. Однородность элемента рассматривается как статистическое понятие, т. е. принимается, что характеристики грунта в его границах изменяются случайно, причем величина изменения этих характеристик не должна превышать определенных пределов. Обычно выделение инженерно-геологических элементов основания производится по данным анализа характеристик физико-механических свойств грунтов. Тогда приведенные выше понятия нормативных и расчетных характеристик в среднем определяют свойства грунта в границах выделенного инженерно-геологического элемента.

Практически при проведении границ между инженерно-геологическими элементами сначала строят геологическую гипотезу о расчленении грунтовой толщи. При этом, во-первых, проводят границы между грунтами разного происхождения, во-вторых, между грунтами различного наименования внутри каждого возрастного комплекса и, в-третьих, между грунтами различного состояния. Схематизация геологического строения основания является сложной инженерногеологической задачей, от правильного решения которой во многом зависит достоверность последующих расчетов, а следовательно, и судьба сооружения.

Форма и размеры геологических тел в основании сооружений.

Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис. 2.3). Самой распространенной формой залегания осадочных горных пород, т. е. всех нескальных и части скальных грунтов, является слой. Слоем называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей.

Расстояние между этими поверхностями называют мощностью слоя. Часто подошва и кровля горизонтальны, плоски и практически параллельны, как показано для слоя 4 на рис. 2.3. Это характерно для морских, озерных и некоторых других отложений. В континентальных отложениях мощность слоя обычно меняется (слой 1 на рис. 2.3).

Внутри слоя залегает грунт одного наименования, но не обязательно одного состояния. Например, часть слоя суглинка может находиться в мерзлом, часть — в талом состоянии; часть слоя песка — в водонасыщенном, а часть — во влажном или маловлажном состоянии и т. п. Положение границы между грунтами различного состояния может меняться со временем в естественных условиях и тем более после освоения территории. Границы же слоев значительно более устойчивы. Хотя выветривание и некоторые техногенные воздействия на грунты способны изменить их состав настолько, что с течением времени изменяется наименование грунта, а с ним и положение границы слоя.

Линзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью (3 на рис. 2.3).

Из определения следует, что мощность линзы меняется от некоторого максимального значения до нуля. Линзы, как и слои, располагаются горизонтально или слабо наклонно. В отдельных случаях слои и линзы могут быть смяты в складки, что свидетельствует о прошедших в прежние времена пластических деформациях массива.

В определениях слоя и линзы использовалось понятие «рассматриваемой области». Можно следующим образом определить это понятие. Если известно пятно застройки сооружения, то рассматриваемой областью будет, по существу, основание этого сооружения, т. е. та часть массива, в которой под влиянием нагрузок от сооружения происходят деформации грунта. Поскольку инженерно-геологическая модель массива грунта часто строится до выбора конкретного места для сооружения, рассматриваемой областью будет являться вся часть слоистой толщи или массива, попадающая на геологический разрез. Тогда слоем будет геологическое тело, границы которого пересекают вертикальные границы разреза; линзой — геологическое тело, замкнутое внутри разреза.

Если геологическое тело входит с одной стороны в разрез и заканчивается в нем, говорят, что имеет место выклинивание слоя.

Мощности слоев и линз могут быть невелики (несколько дециметров), но могут быть и значительны. Обычно мощность слоев и линз изменяется в пределах метров, но иногда достигает 10 и даже 30 м. Однородные слои мощностью более указанных значений встречаются крайне редко. Мощность слоя в таких случаях на разрезе может быть показана лишь частично. В расчетной схеме такой мощный слой обычно рассматривается как полупространство.