1. Состав, строение и основные физические свойства грунтов

1.1. Грунт — многокомпонентная среда. Компоненты грунта и их свойства

В соответствии с действующей в Российской Федерации классификацией «грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека» (ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация). Согласно этой классификации по общему характеру структурных связей выделяются четыре класса грунтов: природные скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные (промышленно-строительные и бытовые отходы, шлаки, золы и др.). Соответственно каждый класс грунтов характеризуется определенными структурными связями: скальные – это грунты с жесткими кристаллизационными и цементационными связями, дисперсные – с водноколлоидными и механическими, мерзлые – с криогенными связями, техногенные – со связями, образованными в результате деятельности человека. Грунты каждого класса могут служить основанием зданий и сооружений, средой для размещения сооружений (подземные ГЭС, АЭС, транспортные туннели, станции метрополитена и др.), материалом для сооружений (насыпи, плотины, дамбы и др.). В наибольшей мере указанные варианты применения характерны для нескальных (дисперсных) грунтов. Также весьма разнообразным является использование скальных и мерзлых, значительно реже – техногенных грунтов.

В свою очередь в классах выделяются группы (по характеру структурных связей с учетом их прочности), подгруппы (по происхождению и условиям образования), типы (по вещественному составу), виды (по наименованию) и разновидности грунтов (по количественным показателям состава, свойств и др.). Например, в классе дисперсных грунтов выделяются группы связных и несвязных грунтов, единственная подгруппа осадочных, типы минеральных, органоминеральных и органических грунтов, 8 видов (пески, глинистый грунт, илы, торфы и др.) и значительное число их разновидностей. Класс скальных грунтов включает две группы: скальные - грунты со связями кристаллизационного типа, полускальные - грунты со связями цементационного типа. В каждой группе несколько подгрупп, типов, видов и разновидностей. Столь же сложным является разделение мерзлых и техногенных грунтов (ГОСТ 25100-95).

Приведенные понятия грунта и его классификации введены сравнительно недавно.В научной и учебной литературе пока продолжают придерживаться применяющегося с XVIII века понятия грунта как рыхлой горной породы коры выветривания оболочки Земли (Н.А. Цытович, 1963, 1983), т.е. механика грунтов, как наука, основное внимание продолжает уделять нескальным грунтам. Это, в частности, объясняется тем, что основные проблемы строительства связаны именно с нескальными грунтами, для которых характерны существенно большая деформируемость (сжимаемость) и одновременно более низкая прочность (несущая способность), чем для скальных грунтов. При этом способы определения основных характеристик тех и других грунтов в большинстве своем совпадают.

В данном учебнике основное внимание уделяется нескальным (дисперсным, мерзлым и техногенным) грунтам (в дальнейшем для сокращения называемым просто грунтами), однако, по мере необходимости, отмечаются особенности свойств и поведения скальных грунтов, учетом которых нельзя пренебречь при строительстве на них.

Основной особенностью нескальных грунтов является их раздробленность на отдельные твердые частицы различной крупности с межчастичными связями много меньшей прочности, чем прочность самих частиц. Между частицами имеется пространство (поры), которое может быть заполнено жидкостью и газом, т.е. в общем случае грунт при положительной температуре является трехкомпонентной (твердые частицы, жидкость, газ) средой; при отрицательной температуре к ним добавляется лед. Все компоненты в грунте находятся в сложном взаимодействии и каждая вносит определенный «вклад» в свойства грунта.

Твердая компонента грунта

Нескальный грунт как рыхлая горная порода является продуктом выветривания скальных пород литосферы, и поэтому твердые частицы грунта представлены либо отдельными минералами, либо являются обломками пород и содержат несколько минералов. В песчаных и более крупнозернистых грунтах основными минералами являются кварц, полевой шпат, слюда. Глинистые грунты содержат вторичные минералы — монтмориллонит, каолинит, гидрослюду и др.

Частицы грунта, близкие по крупности, принято объединять в группы, называемые гранулометрическими фракциями с присвоением им определенных наименований (табл. 1.1). В детальных исследованиях грунтов приводимые в табл.1.1 фракции могут делиться в свою очередь на несколько отдельных групп более узкого диапазона крупности.

Таблица 1.1

Определяя процентное содержание каждой фракции в грунте по массе, получают гранулометрический (зерновой) состав — первую важнейшую характеристику грунта. В лабораторной практике разделение пробы (навески) грунта на фракции обычно осуществляется: для фракций, больших 0,1 мм (или > 0,25 мм) — просеиванием грунта через комплект сит; для мелких фракций (< 0,1 … 0,25 мм) применяют методы, в основе которых используется зависимость Стокса для скорости падения шара в жидкости. Определение размеров частиц в приготовленной суспензии осуществляют по скорости уменьшения ее плотности во времени, замеряемой ареометром (в этом случае способ получил название ареометрического). Этот способ, применяемый в лабораторном практикуме, подробно изложен в пособии [4]. Заметим, что использование зависимости Стокса позволяет определить лишь диаметр некоторого эквивалентного, условного шара, который выпадает из суспензии с той же скоростью, что и реальная твердая частица, размеры и сложная форма которой остаются неизвестными.

Установленный зерновой (гранулометрический) состав грунта удобно представлять кривой грансостава или однородности (рис. 1.1). При построении кривой по оси абсцисс откладывается диаметр (размер) частиц в виде десятичного логарифма (однако на шкале обозначается непосредственно диаметр частиц в мм), а по оси ординат — процент суммарного содержания частиц, диаметром меньшим фиксированного (данного) на оси абсцисс значения. Совмещенные на одном рисунке кривые однородности нескольких грунтов позволяют выделить грунты разной степени однородности (см. рис. 1.1) — более крутая кривая характеризует более однородный грунт. Для количественной характеристики каждой кривой принято определять диаметры d₁₀ и d₆₀ (на рис. 1.1 показано определение этих диаметров для грунта 2), называемые соответственно эффективным и контролирующим, и коэффициент неоднородности

С_U = d₆₀ / d₁₀.

Рис. 1.1. Кривые грансостава грунтов:

1 …3 — естественные грунты: однородный песок; неоднородная супесь; суглинок, не имеющий фракции 0,02-0,1 мм; 4 - техногенный грунт – зола (золоотвал ТЭЦ-2, Невский район С.-Петербурга)

Как следует из рис. 1.1, d₁₀, d_60 — это диаметры, меньше которых в данном грунте частицы составляют по массе соответственно 10% и 60%. Грунт с коэффициентом С_U<3 считается однородным. Для грунта 1, состоящего из частиц d = 0,09-0,4 мм величина С_U = 1,1. В лабораториях при исследовании поведения грунтовых оснований при нагружении нередко вместо реального грунта используются «модельные» наборы в виде шаров d = const (чугунная дробь, стеклянные шарики и т.п.). В этом случае кривая грансостава такого «грунта» будет изображаться строго вертикальной прямой.

Еще в 1908 г. были выполнены опыты по оценке наличия у твердых частиц электрического заряда. При пропускании постоянного электрического тока через суспензию наблюдалось перемещение взвешенных в воде мелких твердых частиц от анода (-) к катоду (+), т.е. частицы обладают отрицательным зарядом. Благодаря наличию заряда твердые частицы могут притягивать к своей поверхности молекулы жидкости и газа. Такое воздействие проявляется тем активнее, чем большей поверхностью обладают частицы. Для числовой оценки поверхностной активности грунта применяется характеристика — удельная поверхность грунта, равная суммарной площади (см²) поверхности всех частиц в единичном объеме (обычно в 1 см³) грунта. Размерность удельной поверхности см²/см³ = 1/см. Иногда [13] под удельной поверхностью понимается величина суммарной поверхности частиц общей массой 1 грамм. В этом случае размерность удельной поверхности выражается в см²/г. Cоотношение между указанными вариантами удельной поверхности легко устанавливается через величину плотности частиц грунта.

С уменьшением размеров частиц удельная поверхность резко возрастает. Простые подсчеты показывают, что частицы в виде условных кубиков при размере ребра в 1 мм, заполняя объем в 1 см³, имеют суммарную площадь поверхности 60 см² и удельную поверхность 60 1/см или ~22 см²/г; с ребром 0,001 мм — 60000 1/см или 22000 см²/г = 2,2 м²/г, т.е. больше в 1000 раз. Для реальных частиц неправильной формы при тех же значениях диаметров (d = 1 мм и 0,001 мм) численные значения удельных поверхностей будут иными, однако соотношение между ними будет близким к полученному для кубических частиц.

Из изложенного следует, что значительную поверхностную активность будут проявлять частицы глинистой фракции, многократно превышающие по активности песчаные и даже пылеватые частицы. Более того, даже небольшая (в 1 … 3%) добавка в мелкий песок глинистой фракции может увеличить удельную поверхность грунта в сотни и даже тысячи раз и определит совершенно иное качество грунтовой смеси. Поэтому ранее и сейчас за основу классификации мелкозернистых грунтов по их грансоставу принимается наличие в грунте глинистой фракции (<0,005 мм). В частности, при содержании в пробе грунта этой фракции менее 3% грунт получает название — песок, при содержании 3 — 10% — супесь, 10 — 30% — суглинок, более 30% — глина. В соответствии с такой классификацией грунты, грансостав которых показан на рис. 1.1, следует назвать: 1 – песком, 2 – супесью, 3 – суглинком, 4 – супесью. Супесь, суглинок и глину принято относить к глинистым грунтам. С 1982 г. в нашей стране классификация мелкозернистых грунтов по их грансоставу дополнительно уточняется по числу пластичности (см. ниже), величина которого отражает содержание в грунте глинистой фракции и активность грунта во взаимодействии с водой, заполняющей поры.

Для песчаных и более крупнозернистых грунтов в настоящее время применяется весьма детальная расширенная классификация в зависимости от грансостава (табл. 1.2).

При одинаковом грансоставе на свойства грунта существенно влияет также форма твердых частиц. В частности, частицы глинистой фракции имеют пластинчатую (листообразную) или игольчатую форму, что способствует проявлению большей сжимаемости грунта с большим содержанием этой фракции. Песчаные и более крупные частицы в зависимости от истории формирования грунта могут быть от окатанных гладких, нередко приближающихся по форме к шару, до неокатанных с острыми углами и выступами, что в итоге влияет на плотность укладки грунта, сопротивление сдвигу и др.

Общепринятая методика оценки формы частиц грунта отсутствует. Чаще всего в качестве численных оценок формы частиц и характера ее поверхности используют коэффициенты округленности (окатанности)  и сферичности . Коэффициент  определяется как отношение среднего радиуса кривизны участков контура частицы к радиусу круга, вписанного в контур частицы. Коэффициент  определяется как отношение площади проекции частицы к площади круга, описанного вокруг нее. Произведение коэффициентов  и  дает обобщенный коэффициент формы K_ф. В случае частиц в форме идеального шара оба коэффициента равны 1 и коэффициент формы K_ф = 1. Для реальных частиц K_ф < 1. Для достоверной оценки K_ф определяют для 50 … 100 частиц [9].

Таблица 1.2

Жидкая компонента грунта

В основаниях зданий и сооружений поры грунта частично или полностью заполнены жидкостью. В условиях строительных площадок таковой обычно является вода. В общем случае вода может быть в жидком, парообразном и твердом состояниях. Вода в виде пара в смеси с другими газами образует газообразную составляющую грунта. Вода в виде льда и кристаллизационной воды в составе кристаллических решеток минералов является составляющей твердой фазы. Вода присутствует в грунте в связанном и свободном виде.

Связанная вода. Твердые частицы грунта, как было отмечено выше, несут на поверхности отрицательный заряд. Молекулы воды являются диполями, имеющими заряды разного знака (+ и –), т.е. молекулы воды полярны, оставаясь в целом электрически нейтральными. Вблизи твердых частиц они ориентируются положительным полюсом по отношению к отрицательно заряженной поверхности твердой частицы, при этом притяжение непосредственно на контакте с частицей может достигать величин в сотни МПа. Первые от поверхности частицы ряды плотно «упакованных» молекул образуют слой прочносвязанной воды, включающей несколько десятков рядов молекул общей толщиной до 10^-6 см. Прочносвязанную воду часто называют гигроскопической, а слой этой воды — гидратным. С уменьшением электромолекулярных сил по мере удаления от твердой частицы прочносвязанная вода переходит в рыхлосвязанную воду (рис. 1.2). Слой этой воды, называемый диффузным, удерживается частицей за счет притяжения положительно заряженных ионов (катионов) водорода, натрия, калия и др., всегда присутствующих в поровой воде, которые в свою очередь притягивают к себе по несколько молекул воды.

Рис. 1.2. Составляющие слоя воды, окружающей твердую частицу грунта:

I — твердая частица; II — связанная вода: 1, 2 — слои прочно и рыхло связанной воды (гидратный и диффузный слои);

III — свободная вода

Гидратный и диффузный слои образуют пленку связанной воды (пленочная вода), окруженную свободной водой, в которой примерно в равной мере присутствуют положительные и отрицательные ионы с ориентированными молекулами воды.

Для связанной воды характерны повышенная плотность, доходящая у поверхности частицы до 2,2 г/см³, большая вязкость и температура замерзания ниже 0⁰С (до – 70^оС), что существенным образом отличает ее от свободной воды. Для перемещения связанной воды требуются значительные силовые воздействия. Связанная вода в отличие от свободной способна воспринимать касательные напряжения (ее модуль сдвига доходит до 20 МПа). Количество связанной воды определяется величиной удельной поверхности твердой составляющей грунта.

В глинистых грунтах, где удельная поверхность значительна (см. выше), объем связанной воды весьма велик: в плотных глинах или суглинках ею может быть заполнено почти все поровое пространство. В песчаных и крупнозернистых (галька, гравий и т.д.) грунтах удельная поверхность несравнимо меньше, чем в глинистых, и объем связанной воды очень мал и ее присутствие не влияет на свойства этих грунтов.

Связанная вода характеризуется способностью выравнивать толщину пленок у соседних твердых частиц одинакового размера. Вода из толстой пленки перемещается в тонкую. Это перемещение называется миграцией. Миграция имеет место из нижнего слоя грунта в вышележащий при высыхании грунта верхнего слоя.

При приложении внешней нагрузки связанная вода может частично выжиматься из контакта между твердыми частицами, где толщина пленки уменьшается (рис. 1.3,а). При снятии прижимающей силы, т.е. при «разгрузке» грунта, например, при отрытии котлована, связанная вода, восстанавливая толщину пленки в зоне контакта, будет раздвигать твердые частицы (рис. 1.3,б). Это явление было названо Б.В. Дерягиным расклинивающим эффектом связанной воды.

Свободная вода в грунтах подразделяется на гравитационную и капиллярную.

Гравитационная — это вода с общеизвестными свойствами ( _в= 1 г/см³, закипает при +100⁰С и замерзает при 0⁰ С и т.д.), перемещающаяся в порах грунта под действием разности напоров.

Капиллярная – это вода, существование которой определяется силами поверхностного натяжения воды.

Рис. 1.3. Расклинивающий эффект связанной воды

Поры в грунте образуют систему каналов, в том числе вертикальных. В последних наблюдается поднятие воды, называемое капиллярным, аналогичное по своей природе капиллярному поднятию в трубке за счет смачивания водой внутренней поверхности трубки (рис. 1.4, а). В результате этого происходит образование вогнутого (вниз к воде) мениска. Из-за развития сил поверхностного натяжения по краю мениска давление в воде под мениском становится меньшим атмосферного, вследствие чего вода в трубке или в вертикальном поровом канале поднимается над уровнем воды в бассейне (или над горизонтом грунтовой воды) на высоту капиллярного поднятия h_к (рис. 1.4, a, б). Kак известно, высота капиллярного поднятия тем больше, чем меньше диаметр трубки, или, применительно к грунту, чем меньше диаметр порового канала. В пылеватых песках и супесях h_к = 1,5 … 3 м. Большего капиллярного поднятия можно было бы ожидать в глинах, однако, при содержании в них преимущественно связанной воды и почти при отсутствии свободной капиллярный подъем не наблюдается, а движение связанной воды проявляется в виде миграции.

Мениски, поднимающие столбик воды на высоту h_к, передают нагрузку от веса этого столбика на стенки капиллярной трубки или порового канала. Эта нагрузка называется капиллярным давлением и вызывает в стенке трубки или в твердых частицах грунта сжимающие напряжения _к = _в · h_к. Заметим, что соответственно в воде в пределах h_к возникают растягивающие (отрицательные) напряжения (рис. 1.4, в).

Рис. 1.4. Капиллярное поднятие воды в трубке (а)

и в грунте (б), эпюра давления в воде (в)

Если вода заполняет поры частично, то она размещается в наиболее узких порах в виде отдельных, не соединяющихся между собой небольших объемов, образующих мениски. Такая вода называется капиллярно-стыковой (рис. 1.5, а). Силы натяжения поверхностной пленки _к, действующие на воду (рис. 1.5, б), вызывают в ней растягивающие напряжения, а развивающиеся согласно третьему закону Ньютона силы (_к), приложенные к частице, вызывают сжимающие напряжения в твердой компоненте грунта. В результате сухой сыпучий песок при его небольшом увлажнении приобретает связность и может держать вертикальные откосы небольшой высоты. При высыхании или полном водонасыщении мениски и сжимающие напряжения исчезают и песок становится сыпучим.

Рис. 1.5. Капиллярно-стыковая вода в грунтах

При распространении в толщу грунта отрицательных температур в первую очередь замерзает свободная вода, особенно с малым содержанием растворенных солей (минерализованная вода замерзает при температуре немного ниже 0⁰С). При дальнейшем понижении температуры начинает замерзать и рыхлосвязанная вода. Прочносвязанная вода при обычных зимних температурах практически не замерзает. Замерзающая вода концентрируется в виде линз и прослоек чистого льда, разделенных слоями мерзлого грунта со льдом в порах. В результате промороженный грунт приобретает текстуру, называемую криогенной.

При постепенном промерзании грунта основания наблюдается процесс миграции влаги из незамерзающего грунта к фронту промерзания (границе между мерзлым и талым грунтом). Миграцию влаги объясняют проявлением ряда физико-химических процессов, природа которых весьма сложна и не до конца установлена. Особенно интенсивная миграция наблюдается в супесях и суглинках при близком стоянии горизонта грунтовых вод к зоне промерзания. Образование в большом объеме линз и прослоек льда за счет миграции воды приводит к значительному объемному расширению промороженного грунта, называемому морозным пучением грунта, создающим часто значительное воздействие на фундаменты сооружений.

Газообразная компонента грунта

В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, в глубоких слоях — азотом, метаном, сероводородом и другими газами и при обязательном наличии в обоих случаях некоторого количества водяного пара. Газ в грунте обычно присутствует в свободном состоянии и частично растворен в воде. Свободный газ подразделяют на не защемленный, сообщающийся с атмосферой, и защемленный, не связанный непосредственно с атмосферой. Не защемленный газ присутствует лишь в пределах глубины 1 — 2 м от поверхности грунта. Ниже весь газ практически защемлен даже выше горизонта грунтовых вод. Даже в водонасыщенном грунте в поровой воде грунта всегда имеется и растворенный газ и защемленный газ в виде пузырьков.

Защемленный газ оказывает наиболее существенное влияние на свойства грунтов и на протекающие в грунтах процессы. Объем пузырьков, давление и температура газа в них связаны известным уравнением Клапейрона, в соответствии с которым при уменьшении давления в воде, окружающей пузырек, а также при повышении температуры объем пузырька газа увеличивается. В частном случае постоянной температуры грунта (изотермический режим) связь между объемом пузырька и давлением окружающей воды определяется законом Бойля-Мариотта. Заметим, что давление внутри пузырька складывается из давления в окружающей воде и давления от поверхностного натяжения воды на контакте с пузырьком. Реально увеличение объема происходит не только вследствие расширения газа в самом пузырьке, но и вследствие выделения в него газа из воды. С повышением давления и понижением температуры поровой воды объем растворенного газа в воде увеличивается. Количественно этот процесс описывается законом Генри V_г = μ_гּV_в, по которому объем растворенного в воде газа V_г пропорционален объему воды V_в и не зависит от величины давления. Коэффициент μ_г называется коэффициентом растворимости газа. Для воздуха при температуре 0⁰С μ_г равен 0,0245. При подъеме из глубоких скважин на поверхность образцов даже полностью водонасыщенных грунтов растворенный в воде газ вследствие уменьшения давления бурно выделяется в виде пузырьков и может раздвинуть твердые частицы и нарушить природную структуру грунта.

При любом изменении давлений или температуры воды, заполняющей поры грунта (поровая вода), происходит процесс газо – и паровыделения или растворения и конденсации пара, расширения или сжатия газовых пузырьков. В результате изменяется напряженное состояние и объем грунта и, как следствие, происходит изменение его деформационных и прочностных свойств.

Вода и, тем более, твердые частицы малосжимаемы и поэтому наличие в водонасыщенном грунте газовых пузырьков значительно увеличивает его общую сжимаемость, которая ярко проявляется при отсутствии быстрого оттока воды из пор грунта. Особенно сильно влияние газа при действии кратковременных, динамических нагрузок. Так, если при взрыве в полностью водонасыщенном грунте скорость распространения ударной волны составляет 1500 … 1600 м/с, а давление на ее фронте достигает десятков и сотен МПа, то при наличие 2 — 4% от объема грунта пузырьков защемленного газа скорость снижается до 150 … 400 м/с, а давление уменьшается в 20… 40 раз.

Структура, текстура и связность грунтов

Под структурой грунта понимается взаимное расположение твердых частиц и их агрегатов и характер связей между ними. Связи между частицами и агрегатами часто называют структурными связями.

Наиболее часто встречаются структуры: для несвязных (песчаных) грунтов — рыхлая и плотная зернистая; для глинистых — сотообразная или губчатая, хлопьевидная, столбчатая (лессовые грунты) и др.

Взаимное расположение отдельных частей (элементов) массива грунта с одинаковой структурой определяет так называемую текстуру грунта. Наиболее характерными текстурами являются массивная (неслоистая) и слоистая. Слоистые текстуры характеризуются наличием слоев, выделяемых по их составу, структуре, окраске и т.п.

Для удобства решения и изложения некоторых задач в механике грунтов широко используют вспомогательное понятие скелета грунта. Под этим термином подразумевается совокупность твердых частиц грунта, связанной с ними воды и «жестких» связей между частицами, если они имеются.

Прочность структуры грунта, т.е. сопротивление изменению взаимного расположения частиц грунта и их агрегатов зависит от прочности связей между ними.

Все грунты делят на связные и несвязные. Связные грунты отличаются от несвязных (сыпучих) грунтов способностью воспринимать хотя бы небольшие растягивающие напряжения и сохранять без обрушения вертикальные откосы определенной высоты.

Связность грунтов определяется молекулярными силами взаимодействия между частицами, частицами и ионами в поровой воде (водно-коллоидные структурные связи), цементационными связями, соединяющими частицы грунта, капиллярными силами (давлением) в грунте.

При сближении глинистых частиц, когда расстояние между ними станет равным двойной толщине слоя связанной воды (рис. 1.3), достаточно ярко проявляется сопротивление дальнейшему их сближению вследствие наличия сил отталкивания между одноименно заряженными диффузными слоями. Однако, если преодолеть это сопротивление, то при дальнейшем сближении этих частиц, когда толщина зазора между ними не превышает 1 … 2 десятков слоев молекул воды, проявляются силы молекулярного взаимодействия (силы притяжения Ван-дер-Ваальса) непосредственно между твердыми частицами. Естественно, что чем ближе друг к другу частицы и меньше разделяющая их пленка связанной воды, т.е. чем плотнее грунт, тем прочнее молекулярные структурные связи. Важной особенностью таких водно-коллоидных структурных связей является то, что после их нарушения они при сближении частиц полностью восстанавливаются.

Со временем за длительный период существования грунта на контактах между частицами в результате различного рода химических реакций и процессов откладываются химические соединения (гели), которые твердеют и образуют цементационные связи. Таковыми могут быть менее прочные и менее водостойкие на основе гипса, кальцита и весьма прочные и водостойкие на основе оксида железа, кремния и др.

В отличие от водно-коллоидных связей цементационные связи, будучи разрушенными, например, при достаточно большом смещении частиц, не восстанавливаются, а если частично и восстанавливаются, то в течение длительного времени. Поэтому грунты нарушенной структуры (например, уложенные в насыпь дороги, плотины) при одинаковой плотности с природными грунтами ненарушенной структуры (в карьере) обладают меньшей связностью и, как следствие, меньшей прочностью и большей деформируемостью.