Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

Максимальная молекулярная влагоемкость характеризует содержание прочносвязанной, рыхлосвязанной воды и воды ближней гидратации, т. е.

влажность грунта при максимальной толщине пленок связанной воды вокруг минеральных частиц (Wм.м.в.или Wln). Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов способом высоких колонн.

Пластичность — способность породы изменять под действием внешних сил (давления) свою форму, т. е. деформироваться без разрыва

\сплошности и сохранять полученную форму, как действие внешней силы прекратилось —является характеристикой, во многом определяющей деформируемость. Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит jot их консистенции (относительной влажности). Для того чтобы выразить в численных показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены понятия о нижнем и верхнем пределах пластичности.

Нижним пределом пластичности Wp или границей раскатывания называют такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, замешанная на дистиллированной воде, при раскатывании ее в жгутик диаметром 3 мм начинает крошиться вследствие потери пластических свойств, т. е. такая влажность, при которой связный грунт переходит из твердого состояния в пластичное.

Верхний предел пластичности WL или граница текучести представляет собой такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, положенная в форфоровую чашку и разрезанная глубокой бороздой,

сливается после трех легких толчков чашки ладонью. При большей степени влажности глинистая масса течет без встряхивания или при одном-двух точках, т. е. такая степень влажности, при которой связный грунт переходит из пластичного состояния в текучее.

Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, IP,%:

IP=WL - WP

По числу пластичности IP выделяют породы четырех типов: 1)

высокопластичные (глины) —17 %; 2) пластичные (суглинки) —17...7 %; 3)

слабопластичные (супеси) —7 %; 4) непластичные (пески) —0.

Консистенция I или показатель текучести — это характеристика состояния грунта нарушенной структуры:

I=(WL—Wp)/Ip.

Количественные характеристики гранулометрического состава.

При характеристике гранулометрического состава используют такие показатели, как эффективные диаметры d60 и dl0, т. е. диаметры частиц,

меньше которых в грунте содержится по массе соответственно 60 или 10 %

частиц. Иногда к числу эффективных диаметров относят d50, d90, d95 и d5,

которые вычисляют аналогично вышеописанному способу. Эффективные диаметры применяют для оценки степени неоднородности гранулометрического состава грунта или степени сортированности

S= d90/d10.

Применяют также такие показатели, характеризующие однородность грунта, как d50d90/d10 или d50d95/d5.

В практике инженерно-геологических исследований применяют также специальные статистические коэффициенты, характеризующие крупность частиц грунта с помощью методов математической статистики (по нормальным и логарифмически нормальным распределениям частиц по крупности).

Приведенные характеристики применяют обычно для песчаных,

гравийно-галечных и пылеватьгх грунтов.

Некоторые свойства глинистых грунтов и их характеристики. Воз-

вращаясь к оценке свойств глинистых грунтов, рассмотрим следующие важные их характеристики.

Набуханием называют способность глинистых пород при насыщении

водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания. Набухание зависит от содержания в породе глинистых и пылеватьгх частиц и их минералогического состава, а

также от химического состава взаимодействующей с породой воды.

Бентонитовая глина может, например, увеличить свой объем более чем на 80

%, каолинитовая —на 25 %.

Коэффициент набухания (к, %) определяют по данным лабораторных исследований по приросту объема породы в процессе насыщения ее водой:

k=(V— V1)/ V1 100,

где V—объем набухшей породы, см3; V1 —объем воздушно-сухой породы, см3.

Способность пород к набуханию характеризуется:

•степенью деформации набухания RH %, определяемой по изменению объема или высоты образца;

•давлением набухания рн, МПа, которое развивается при невоз-

можности объемных деформаций в процессе набухания породы;

• влажностью набухания WH, соответствующей такому состоянию породы, при котором прекращается процесс поглощения жидкости (воды)

породой.

Набухание учитывают при строительных работах. Явление набухания пород (главным образом дисперсных) наблюдается в котлованах, траншеях и других выемках, а также при строительстве плотин, дамб, транспортных насыпей и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия сооружений и увеличивается влажность пород, особенно глинистых, за счет вновь поступающей воды.

Усадкой породы называют уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше пажность,

тем больше усадка. В наибольшей степени набуханию и гадке подвержены глинистые породы.

Размоканием называют способность глинистых пород в соприкос-

новении со стоячей водой терять связность и разрушаться — превра-аться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей тособности.

Размокание породы имеет большое значение для характеристики ее строительных качеств. Скорость размокания породы определяет степень ее устойчивости под водой.

При оценке размокаемости принимают во внимание вид породы после распада (пылевидный, пластичный, комковатый) и отмечают размер распавшихся частиц. Глинистые породы размокают в несколько раз медленнее, чем песчаные. Наличие в породе гумуса и карбонатов замедляет размокание.

Большая часть пород с кристаллизационной структурой является практически неразмокаемой. Большинство же дисперсных пород с другими видами связи относятся к категории размокаемьгх.

Для характеристики размокания пород обычно используют два показателя:

•время размокания, в течение которого образец породы (главным образом, глинистой), помещенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера;

•характер размокания, отражающий качественную картину распада образца породы.

Размокание породы имеет существенное значение при подготовке проекта производства работ и организации возведения сооружения с учетом климатических особенностей района строительства и сезона работ.

Плотные суглинки и четвертичные, а особенно древние, глины, не размокающие в стоячей воде, разрушаются при длительном воздействии текучей воды, т. е. размываются. Размываемостъ пород со слабыми структурными связями обусловливается сопротивлением их размока-нию.

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характери-

стики. Расчет оснований сооружений, проектирование фундаментов,

качественных насыпей, создание проектов производства работ, оценка и

прогноз эксплуатации оснований и фундаментов, а в конечном итоге И сооружений, выяснение причин развития и активизации природных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений невозможны без определения физико-механических свойств грунтов, Наиболее важными из которых являются деформационные и прочностные.

Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться под влиянием внешней нагрузки, например, давления от возведенных сооружений, не подвергаясь разрушению. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации, коэффициентом Пуассона,

коэффициентами сжимаемости и консолидации модулями сдвига и объемного сжатия.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор вследствие деформации частиц породы, воды и газа.

При определении сжимаемости грунтов различают показатели,

характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке К первой группе характеристик относятся: коэффициент уплотнения а, коэффициент компрессии ак, модуль осадки ер, ко второй —коэффициент консолидации и др.

Общая характеристика сжимаемости грунтов определяется модулем общей деформации Е.

При нагрузке на грунт возникают деформации, протекающие во времени. Даже для неполностью водонасыщенных глинистых грунтов сжатие под нагрузкой происходит не мгновенно, но в ряде случаев осуществляется сразу со скоростью приложения нагрузки.

Деформация сжатия перечисленных грунтов обусловлена при обычных в строительстве нагрузках упругим сжатием частиц и газа. Для водонасыщенных глин, особенно с нарушенными структурными связями,

сжатие осуществляется при оттоке воды из пор грунта, скорость которого зависит от водопроницаемости грунта. Для правильного суждения о скорости осадки сооружений используют данные о консолидации грунтов.

Консолидация дисперсных грунтов — это их уплотнение во времени под постоянной нагрузкой.

К числу факторов, определяющих сжимаемость грунтов, относят их гранулометрический и минералогический составы и характеристики структуры и текстуры.

Дисперсность и степень неоднородности грунтов определяют отчасти их пористость, а тем самым обусловливают возможность и\ деформирования.

Определенное значение здесь имеет и фильтрационная способность различных по крупности грунтов.

Немаловажное значение имеет и минералогический состав грунтов Наличие в песках частиц слюды значительно увеличивает сжимаемость таких песков и величину обратимой деформации. Состав минералов в глинистых грунтах определяет размер, форму и гидрофильность частии грунта.

Пористость глинистых фунтов возрастает, как и возможность уплотняться при действии внешней нагрузки, с увеличением диспер сности и гидрофильности глин. Это подтверждается фактом наибольшей деформируемости монтмориллонитовых глин по сравнению с другими минералогическими разностями глин, что определяется свойствами монтмориллонита, его внутренним строением.

К числу факторов, определяющих способность грунтов деформи-154

роваться, относится и морфология их частиц, формирующая в неко-

торой степени размер и форму порового пространства, их фильтрационную способность. Угловатые частицы с шероховатой поверхностью по сравнению с окатанными полированными обладают не только повышенной способностью адсорбировать на себе водные пленки и пленки вторичных образований различного химического состава, тем самым способствуя развитию структурных связей различного характера, но и затрудняют

перемещение частиц друг относительно друга за счет естественного в таком случае повышенного трения частиц при перемещении. Наиболее характерно это для песчаных, мелкообломочных и отчасти пылеватых грунтов. Наличие в фунтах гумуса и других гидрофильных компонентов определяет степень развития структурных связей, сорбционную способность фунтовых частиц.

Указанный факт, толщина пленок воды, упругие и пластические свойства гумуса и других органических соединений существенно сказываются на способности фунтов деформироваться под нафузкой, кроме всего прочего за счет изменений в возможности фильтрационного отжатая воды из порового пространства. Наиболее ярко это проявляется в глинистых, пылеватых и отчасти супесчаных фунтах.

Установлено также, что на формирование и размер водных пленок и развитие структурных связей влияет и состав обменных катионов в поровом растворе фунтов. Естественно, это в определенной степени сказывается и на деформационных свойствах фунтов.

Прочность грунтов. К числу наиболее важных физико-механических свойств фунтов относят их прочность. Прочностные характеристики грунтов являются определяющими при решении инженерно-геологических задач,

возникающих при оценке оснований, проектировании, строительстве и эксплуатации фундаментов сооружений. Сопротивление фунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством. Под действием некоторой внешней нафузки в определенных зонах фунта связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других — фунт приобретает способность неофаниченно деформироваться под данной нафузкой. Разрушение фунта происходит в виде перемещений одной части фунтового массива или слоистой толщи относительно другой (к

числу примеров, часто возникающих в сфоительной прак-, тике, можно отнести оползание откосов строительных котлованов и других выемок, «выпор» фунта из под сооружений).

Сопротивление грунтов сдвигу в определенном диапазоне давлении (от

десятых долей до целых единиц МПа) может быть описано линейной зависимостью Кулона

грунтов сдвигу, которые необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости массивов фунтов.

Подробное рассмотрение процессов формирования прочности раз-

личных грунтов на основе обобщения результатов многочисленных экспериментальных исследований привело специалистов к выводу о том, что параметры прочности (и С) не являются однозначными факторами в формировании сопротивления сдвигу для глинистых и песчаных грунтов.

Так, для песков главную роль играет внутреннее трение, выражаемое коэффициентом внутреннего трения tg , сцепление же носит подчиненный характер, главным образом, это сцепление — зацепление между отдельными частицами, вторичные цементационные связи между пленками на поверхности песчаных частиц. Сцепление в песках обусловлено, таким образом, морфоскопическими особенностями их зерен. В глинистых грунтах главная роль принадлежит сцеплению С, в силу развитых внутренних связей различного характера и природы в этих грунтах. Несколько упрощая вопросы формирования прочности в грунтах различного состава и строения, можно условно записать, что в зависимости Кулона в глинах коэффициент внутреннего трения tgстремится к нулю, а в песках, в свою очередь,

сцепление С стремится к нулю.

Минеральный состав песков и глин определяет характер сопротив-

ления их сдвигу; для глинистых фунтов характерно сопротивление их одноосному сжатию и разрыву. Содержание в песках слюд, хлорита, талька и других минералов, характеризующихся низкими показателями трения,

снижает сопротивление таких песков сдвигу. Наименьшее сопротивление сдвигу и сжимаемость характерны для монтморилло-нитовых глин.

Исключение составляют глины в воздушно-сухом состоянии по изложенным выше причинам. Наибольшее сопротивление на одноосное сжатие и разрыв будет присуще тем же глинам, благодаря дегидратации,

обусловливающей образование в грунте максимума контактов,

проявляющихся в степени развития ионно-электростати-ческих связей.

К числу факторов, влияющих на развитие структурных связей,

относятся степень дисперсности и однородности фунтов, их морфо-

логические характеристики, степень развития вторичных пленок на зернах песков, количество связанной воды, состав обменных катионов, значение коэффициента трения частиц друг о друга. Указанные факторы обусловливают прочность фунтов по вышеизложенным причинам при рассмотрении их сжимаемости.

К настоящему времени накоплен значительный объем результатов исследований, проливающий свет на процессы формирования прочности грунтов и объясняющий природу трения и сцепления, которые развиваются в грунтах и являются основными расчетными показателями прочности,

используемыми в инженерных расчетах.

Физико-механические свойства дисперсных грунтов зависят, таким образом, от соотношения твердой и жидкой минеральных компонент грунта.

В последнее время получены данные о влиянии на физико-механические свойства органики (гумуса), биоты и газовой компонент, и о чрезвычайно важной роли в этом структурно-текстурных особенностей дисперсных грунтов. К примеру, как это уже отмечалось, глинистые грунты обладают сопротивлением сжатию и на разрыв, в песчаных грунтах последнее свойство практически не проявляется.

Формирование физико-механических свойств скальных грунтов имеет свои специфические, весьма важные и необходимые для познания их природы и прогноза проявления, особенности. При изучении скальных

горных пород важно установить содержание в них породообразующих минералов. Наибольшее значение имеют минералы класса первичных силикатов — полевые шпаты, пироксены, амфиболы, оливин и др. С

определенной условностью к ним относят кварц, у которого, как известно,

преобладают внутрикристаллические связи. Простые соли: карбонаты,

сульфаты, галоиды имеют ионный тип связей, которые существуют внутри самих минералов (атомов, ионов, радикалов). Свойства же минералов передаются свойствам грунтов.

Наибольшее значение для скальных пород имеет их трещинова- К

скальным породам с кристаллическими и структурными связями относятся,

главным образом, магматические и метаморфические. При пористости 1—5

% эти породы могут характеризоваться трещинной системой объемом в 10— 20 %. Это делает очевидным, что водопроницаемость трещиноватых грунтов,

физико-механические свойства определяются не столько их пористостью,

сколько трещиноватостью.

В настоящее время выделяют различные генетические типы трещин:

• первичной отдельности или литогенетические, обычно тонкие,

чистые от заполнителя, закономерно ориентированные;

•выветривания, иногда значительные по размерам, затухающие с глубиной с различным по составу заполнителем;

•тектонического происхождения, различного, иногда весьма зна-

чительного размера, незатухающие с глубиной, с различным заполнителем или без него.

Отдельные авторы (Л .Д. Белый) выделяют также специфические трещины исключительно сейсмогенного происхождения. Для характеристики трещиноватости разработаны специальные приемы, описывающие их ориентированность, размеры и другие параметры.

Трещины подразделяют на тонкие (менее 1 мм), мелкие (1—5 мм),

средние (5—20 мм), крупные (20—100 мм) и очень крупные (более 100 мм).

Высокая прочность магматических и метаморфических пород, как уже