1. Грунты как дисперсные системы. Виды воды в грунтах. Структура и текстура грунтов.

Дисперсные системы - это системы, состоящие из двух или более веществ, распределённых друг в друге. Грунты, состоящие из измельченных частиц минералов, могут представлять собой двухфазную систему типа твердые частицы+вода, твердые частицы+воздух или трехфазную систему типа твердые частицы+вода+воздух.

Коллоиды - это не вещества, а состояние веществ по степени раздроб­ленности. К коллоидам мы относим глинистые частицы крупностью менее 0,1 мкм, обладающие рядом специфических свойств.

Степень дисперсности грунтов зависит от условий образования их ми­нералогического состава. Чем тоньше измельчено вещество, тем выше его суммарная поверхность, а следовательно, тем значительнее развиты явления взаимодействия на поверхностях раздела твердой, жидкой и газообразной фаз.

Свойства, придаваемые грунтам коллоидами, используются в строи­тельных целях. Спо­собность к обменному поглощению может снизить набухаемость грунтов, их водоудерживающую способность. В грунтах всегда содержится некоторое количество воды, целиком или частично заполняющей трещины и поры между частицами.

Состояние влаги в грунте может быть твердым (лед), жидким (вода) и газообразным (пар). Вся влага, в любом состоянии, находится в постоянном физическом и химическом взаимодействии с частицами грунта.

При температуре выше 0°С в фунтах можно различать следующие ви­ды воды:

Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в состав кристаллических решеток минералов. Она может быть удалена при прокали­вании и, по существу, представляет собой составную часть вещества, сла­гающего частицы грунта.

Водяной пар заполняет пустоты грунта, свободные от воды; он пере­мещается из областей с повышенным давлением в области с низким давлени­ем; конденсируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

Гигроскопическая вода притягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Гигроскопическая вода может перемещаться в грунте, переходя в паро­образное состояние, и может быть удалена только высушиванием.

Пленочная вода удерживается на поверхности грунтовых частиц сила­ми молекулярного притяжения. Влажность грунта, соответствующая макси­мальной толщине молекулярных пленок воды, называется максимальной мо­лекулярной влагоемкостью. Пленочная вода может быть удалена из грунта путем испарения.

Капиллярная вода поднимается в грунте по свободным канальцам, об­разованным взаимосообщающимися порами или удерживается в них в под­вешенном состоянии.

Гравитационная вода не подвержена действию молекулярных и мени­сковых сил и полностью подчиняется законам гидростатики и гидродинами­ки. Подчиняясь действию сил тяжести, она свободно движется в грунте от большего напора к меньшему и пополняет грунтовую воду.

Структура природных грунтов характеризуется формой, величиной и взаимным расположением отдельных минеральных частиц.

Структура грунтов формируется в процессе отложения или образова­ния минеральных частиц и в процессе их дальнейшего существования.

Основные типы структурного фунта представлены на рис. 1.2.

Зернистая структура свойственна крупнообломочным и песчаным фун­там, губчатая - глинистым, хлопьевидная - илистым неуплотненным осадкам, а сетчатая характерна для песков.

Рис. 1.2. Основные типы структур грунта: а - зернистая; б - ячеистая (губчатая); в - хлопье­видная; г - сетчатая; 1 - микропоры; 2 – макропоры

Взаиморасположение структурных агрегатов в массиве грунтов обу­словливает текстуру грунтов. На текстуру также влияют условия образова­ния и существования грунтовых отложений, например периодичность осаж­дения частиц грунта в воде и последующие изменения величины и направле­ния действующих на породу сил.

Различают следующие основные текстуры грунтов:

• сыпучая, свойственная пескам эолового происхождения, элювиаль­ным обломочным образованиям;

• слоистая, характерная для грунтов водного происхождения, напри­мер, озерно-ледниковых отложений, речных и морских песков, сланцеватых пород (подвергшихся метаморфизму);

• слоистая, присущая ледниковым отложениям, лессам;

• слитная, присущая древним морским отложениям.

2. Основные физические характеристики и показатели грунтов.

Плотность грунта р - это отношение массы грунта к его объему. P = m/V,

Плотность частиц грунта p_s - отношение массы твердых (скелетных) частиц грунта к их объему. Ps=ms/Vs

В строительной практике обычно встречаются грунты с плотностью час­тиц: пески 2,65 г/см³, супеси 2,67 г/см³, лессы 2,68 г/см³, суглинки 2,70 г/см', глины 2,74 г/см³,

Плотность сухого грунта (плотность скелета грунта) р_d - отношение массы грунта за вычетом массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему, г/см³ Pd=P/1+W Pd=Ps/W

Разновидность грунтов	Плотность скелета рd г/см
Очень плотный	>2,50
Плотный	2,50-2,10
Рыхлый	2,10-1,20
Очень рыхлый	<1,20

Пористость - суммарный объем всех пор в единице объема грунта, неза­висимо от их величины, заполнения и характера взаимосвязи, безразмерная величина.

Коэффициент пористости е - отношение объема пор к объему твердых частиц грунта, безразмерная величина e=(Ps-Pd)/Pd

р₅ — плотность частиц грунта, г/см³; p_d — плотность сухого грунта, г/см³.

Природная влажность грунта w - отношение массы воды в объеме грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы. W=mводы/mсух.гр *100%

Коэффициент водонасыщения S_r (степень влажности) — степень за­полнения объема пор водой, д. е. Sr=WPs/ePw

Разновидность грунтов	Коэффициент водонасыщения Sr д. е.
Малой степени водонасьпцения	0—0,50
Средней степени водонасыщення	0,50—0,80
Насыщенные водой	0,80—1,00

3. Пределы и число пластичности. Влияние воды па свойства грунтов.

Пластичность - способность изменять форму без нарушения сплошности под воздействием внешних усилий и сохра­нять приданную форму после устранения воздействия.

Природная влажность грунта w - отношение массы воды в объеме грунта к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы. W=mводы/mсух.гр *100%

Граница текучести w_L –влажность грунта, при которой он находится на границе пластичного и текучего состояний. д.е.%

Граница раскатывания (пластичности) w_p - влажность грунта, при которой грунт находится на границе твердого и пластичного состояний. д.е.%

Вид грунта определяется по числу пластичности

Число пластичности I_Р — разность влажностей, соответствующая состояниям грунта: на границе текучести W_L и на границе раскатывания Wр. I_P=W_L-W_P, %

Разновидность глинистых грунтов	Число пластичности
Супесь	1-7
суглинок	7-17
глина	больше 17

Консистенция – степень подвижности частиц глинистого грунта, обусловленная различным содержанием в нем воды

Показатель текучести I_L – отношение разности влажностей (ест. W и на границе раскатывания W_P) к числу пластичности I_Р. I_L=(W-Wp)/(W_L-Wp)=(W-Wp)/Ip

Разновидность глинистых грунтов	Показатель текучести Ii_
Супесь:
— твердая	<0
— пластичная	0-1
—текучая	>1
Суглинки и глины: твердые --------------------------------------------------------------------.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- полутвердые тугопластичные мягкопластичные текучепластичиые текучие	<0 0-0,25 0,25-0,50 0,50-0,75 0,75-1,00 >1,oo

Длительное воздействие воды увеличивает влажность грунтов, уменьшает несущую способность основания. Глина при увлажнении набухает, а при усушке сжимается, песок не реагирует на воду. Глина является водоупором, а песок хорошо фильтрует воду.

4. Основные закономерности механики грунтов. Зависимость между внешним давлением и изменением коэффициента пористости.

Основные закономерности механики грунтов

Расчет оснований и фундаментов выполняется с использованием законов механики грунтов, которые, как правило, формулируются на основании анализа результатов экспериментальных исследований. Законы механики грунтов устанавливают зависимость между различными параметрами механического состояния грунта. К примеру, между напряжениями и деформациями, между касательными и нормальными напряжениями, между скоростью фильтрации воды через грунт и градиентом напора.

Основные закономерности механики грунтов, свойства, которые они описывают, и характеризующие механические свойства показатели сведены в таблице

Свойство	Закономерность	Показатели	Практические приложения
Сжимаемость	Закон уплотнения	Коэффициент уплотнения	Расчет осадок фундаментов
Водопроницаемость	Закон ламинарной фильтрации	Коэффициент фильтрации	Прогноз скорости осадок водонасыщенных грунтовых оснований
Контактная сопротивляемость	Предельное сопротивление сдвигу. Условие прочности	Коэффициент внутреннего трения и сцепление	Расчеты предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения
Структурно-фазовая деформируемость	Принцип общей и линейной деформируемости	Модули деформируемости	Определение напряжений и деформаций грунтов

Зависимость между внешним давлением и изменением коэффициента пористости.

Деформации грунта под нагрузкой происходят за счет изменения объема, т.е. за счет уменьшения пористости, а также за счет возможных изменений формы грунта.

Деформации грунта могут происходить по трем основным схемам:

Сжимаемость грунта определяется экспериментальным путем. Основным прибором для лабораторного определения служит компрессионный прибор или одометр. По результатам испытания определяют модуль сжимаемости грунта: , где

и - коэффициенты пористости до начала испытания и после испытания образцов грунта;р – действующее давление.

По модулю сжимаемости грунты подразделяются на три категории:

^- сильносжимаемый – m > 1,0 (МПа)^-1

- среднесжимаемый – 0,1>m > 1,0 (МПа)^-1

^- малосжимаемый – m < 0,1 (МПа)^-1

Модуль сжимаемости можно определить из построения компрессионной кривой.

е

е₁

Модуль сжимаемости равен отношению е₂ изменения коэффициента пористости к

величине действующего давления.

α

_р1 р₂

При расчете осадок уплотнения грунта пользуются величиной модуля относительной сжимаемости: ;

Коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке, приходящейся на единицу действующего давления.

Сжимаемость грунта можно выразить и через модуль общей деформации грунта .

является аналогом модуля упругости Е, определяемым в соответствии с основным законом теории упругости (закон Гука). , где- относительная деформация.

зависит от вида грунта и от нагрузки. , где, где

- коэффициент Пуассона, учитывающий боковое расширение грунта.

=0,27 – пески,

=0,30 – супеси,

=0,35 – суглинки,

=0,45 – глины.

отражает, в отличие от Е, упругую и необратимую (остаточную) часть общей деформации грунта.

= 10-50 Па (100-500 кг/см²) – для песчаных грунтов;

= 50-75 Па (500-750 кг/см²) – для глинистых грунтов.