Учебное пособие. Механика грунтов

10

пород инертными минералами сложены пески, крупнообломочные грунты и образующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты.

Растворимые в воде минералы, даже их малое содержание, оказывают существенное влияние на свойства грунтов. К ним относят галит NaCl, гипс CaSO4·2H2O, кальцит CaCO3 и др. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс сложены растворимыми минералами.

Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно, поэтому такие грунты считаются надежными основаниями.

Кислые дожди и утечки кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка. Также в грунтах встречаются нестойкие минералы, которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу. Существуют грунты, у которых

всухом состоянии частицы скреплены растворимыми минералами. При их увлажнении происходит разрушение водорастворимых связей, и грунт может деформироваться даже под действием собственного веса (лессовые просадочные грунты).

Глинистые минералы выделяют в отдельную группу коллоидно-активных минералов. Они не растворимы в воде, но в силу своих чрезвычайно малых размеров обладают высокой коллоидной активностью. Даже малое

содержание глинистых частиц в общей массе грунта резко изменяет его свойства. К глинистым минералам относят каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженные свойства гидрофильности. Форма кристаллов глинистых минералов может быть игольчатая (аттапульгит) или пластинчатая (каолинит, монтмориллонит). В 1 грамме каолинита площадь поверхности всех частиц составляет около 10 м2,

в1 грамме монтмориллонита – 800 м2, тогда как площадь поверхности, например, 1 грамма песчаных частиц не более 0,05 м2. Существуют грунты, в частности богатые монтмориллонитом, обладающие способностью увеличивать свой объем при замачивании (набухающие грунты).

11

Минеральные частицы классифицируют по размеру на: крупнообломочные, размером крупнее 2 мм; песчаные, размером от 2 мм до 0,05 мм; пылеватые, размером от 0,05 до 0,005 мм; глинистые, размером менее 0,005 мм. Частицы менее 0,0001 мм называют коллоидными.

Органическое вещество у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а на глубине – в виде нефти, угля, природного газа. Активизация жизнедеятельности в грунте, как правило, снижает его прочность, отмирание живых организмов приводит к повышению прочности грунтов. Гумус, образующийся при отмирании растений и микроорганизмов, изменяет свойства грунта, в котором он содержится. Коллоидная активность гумуса выше, чем у глинистых минералов. Считается, что 1 % гумуса в этом отношении приблизительно равен 1,5 % глинистых частиц.

Свойства всех разновидностей грунтов, а особенно песчаных, пылеватых и глинистых, существенным образом зависят от содержащейся в них жидкой составляющей. Выделяют следующие состояния воды в грунте (рис. 3): кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток и находится внутри частиц грунта. Связанная вода разделяется на прочносвязанную воду (слой из 1-3 молекул, окружающих глинистую частицу и притягивающихся к ней с большой силой), и рыхлосвязанную воду, тонким слоем примыкающую к прочносвязанной воде. Рыхлосвязанная вода почти в тысячу раз слабее притягивается к частице, чем прочносвязанная. Свободной водой называют гравитационную воду, перемещающуюся под действием собственного веса или перепада давлений, а также капиллярную воду, перемещающуюся под действием сил поверхностного натяжения менисков. Кристаллизационную и прочносвязанную воду можно отделить только выпариванием, причем при этом возможно разложение минералов и изменение свойств грунта.

12

Рыхлосвязанную воду можно отделить с помощью выдавливания, создавая давление до нескольких мегапаскалей, или с помощью центрифуги.

Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках.

Рис. 3. Схема взаимодействия частиц грунта с водой:

I – твердая частица; II – прочносвязанная вода; III – рыхлосвязанная вода; IV – свободная вода; 1 – частица; 2 – катион; 3 – анион; 4 – молекула воды

Предельная высота капиллярного поднятия в грунтах колеблется от 3,5 см (песок крупный) до 6,5 м (суглинок). В глинах высота капиллярного поднятия может отсутствовать вообще. В ходе промерзания глинистых грунтов возникает миграция воды из более толстых пленок (нижние слои грунта) в более тонкие (верхние слои грунта), что приводит к явлению морозного пучения грунтов.

Газообразные включения (пар, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды; свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой; растворенными в поровой воде.

13

Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта. Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений между частицами грунта. При изменении давления и температуры, жидкость может выделяться из газа (конденсироваться) и, наоборот, газ может растворяться в жидкости. В грунтах могут содержаться и ядовитые газы (метан, сероводород, угарный газ), причем в слабопроветриваемых местах, например в котлованах, подвалах зданий и др. их концентрация может достичь пределов, опасных для жизни человека.

1.3. Структурные связи между минеральными частицами. Понятие о внутреннем трении в грунтах

Прочностные свойства грунтов зависят не сколько от прочности (очень большой) отдельных минеральных зерен, сколько от структурных связей между отдельными минеральными частицами и их агрегатами. Различают следующие основные виды структурных связей: водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные) – вязкопластичные, мягкие, обратимые; кристаллизационные – хрупкие (жесткие), необратимые. Кристаллизационные связи бывают водостойкие и неводостойкие.

Жесткие связи более характерны для скальных грунтов, пластичные связи – главным образом для глинистых грунтов. Кристаллизационные связи возникают под действием химических сил, образуя с минеральными частицами (в точках контакта) новые поликристаллические соединения – очень прочные, но хрупкие и не восстанавливающиеся при разрушении. Прочность этих связей зависит от состава минералов. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водно- коллоидные связи. Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы; при

14

увеличении влажности они быстро уменьшаются до значений, близких к нулю и наоборот.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяют на связные (супеси, суглинки, глины) и несвязные, сыпучие (крупнообломочные и песчаные грунты).

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов, вызываемое трением в точках контакта частиц, называют внутренним трением грунта. Внутреннее трение грунта тем больше, чем менее окатаны зерна в грунте. В связных грунтах, таких как очень вязкие дисперсные глины,

перемещению частиц будут сопротивляться только внутренние структурные связи и вязкость водно-коллоидных оболочек частиц.

1.4. Трещины и их влияние на свойства грунтов

Трещины наиболее часто встречаются в скальных грунтах, плотных глинах, и изредка в песчаных грунтах. По степени расчлененности трещинами скальные грунты разделяют на: монолитные – трещин нет, либо они есть, но не пересекаются; трещиноватые – трещины частично пересекаются, оставляя между блоками мостики (целики) прочного скального грунта; разборные – трещины образуют густую сеть, пересекаются и полностью разделяют обломки породы.

Трещины оказывают негативное влияние на свойства грунтов. По трещинам возможны сдвиги частей скального грунта под нагрузкой. Глинистые и песчаные грунты также могут иметь сеть трещин, по которым будет происходить замачивание массива, отрыв и соскальзывание при оползнях, следовательно, пренебрегать их трещиноватостью нельзя.

15

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ОСНОВАНИЙ

2.1. Основные физические характеристики грунтов. Дополнительные характеристики грунтов. Нормативные и расчетные значения физических характеристик

Оценка каждой разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Некоторые из них

непосредственно применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, другие – для классификации грунтов. Основными физическими характеристиками грунтов являются: плотность грунта ρ естественной (ненарушенной) структуры, равная отношению массы образца грунта к его объему; плотность частиц грунта ρs, равная отношению массы твердых частиц к их объему; влажность грунта ω равная отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.

Выделим из грунта образец с единичным объемом и мысленно разделим его на две части: одну, занятую твердыми частицами объемом V1, и другую, занятую порами, расположенными между этими частицами, объемом V2 (Рис. 4). Пространство, занятое порами, также можно разделить на две части, одна из которых занята водой, другая – воздухом. Пусть масса твердых частиц в объеме V будет g1, а масса воды – g2 (причем масса воздуха не оказывает влияние на результаты расчетов). В соответствии с вышеизложенными

определениями

Зная плотность грунта (размерность обычно выражается в т/м3), можно найти удельный вес грунта γ и удельный вес частиц грунта γs (размерность будет в кН/м3)

γ = ρ × g , γs = ρs × g ,где g = 9,81 м/с2 (часто принимают 10).

16

Рис. 4. Схема составных частей (компонентов) образца грунта

Остальные физические характеристики грунтов могут быть вычислены с использованием их основных физических характеристик.

Плотность сухого грунта ρd часто называют плотностью скелета грунта и

определяют как отношение массы сухого грунта к объему всего грунта

Удельный вес сухого грунта (скелета грунта) будет равен

γd = ρd × g = 1+γω .

Пористостью грунта n называют отношение объема пор ко всему объему

грунта

Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта обозначают как m, равное

Величины n и m будут соответственно объемами пор и твердых частиц в единице объема грунта, следовательно, n + m = 1. Величины n и m также

можно определить по формулам

Коэффициент пористости грунта е равен отношению объема пор к объему твердых частиц

17

соответствующую полному водонасыщению грунта, когда все его поры заполнены водой (в данном случае грунт является двухкомпонентной системой или грунтовой массой)

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

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды γsb (для грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод) будет равен

γsb = γs − γω .

1+ e

Степенью неоднородности зернового состава песчаных грунтов Cu

называют отношение

Cu = d60 ,

d10

где: d60 – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по весу) 60 %; d10 – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по весу) 10 %.

Связные (глинистые) грунта обладают пластичностью, которая характеризуется влажностью на границе текучести ωL, влажностью на

18

границе раскатывания (пластичности) ωР. По числу пластичности Ip = ωL – ωp определяют наименование глинистого грунта. По числу текучести

I L = ω - ωP

ωL - ωP

определяют состояние глинистого грунта (консистенцию) в условиях естественного залегания.

По коэффициенту просадочности Iss определяют, просадочный глинистый грунт, или нет

ISS = eL − e , 1 + e

где еL – коэффициент пористости на границе текучести, определяемый, как

eL = ωL × γS .

γω

Дополнительными характеристиками грунтов являются содержание органических веществ, засоленность, льдистость. Относительное содержание органических веществ в грунте Iom определяется как отношение их массы в образце сухого грунта к массе образца. Засоленность грунтов d0 определяется как отношение минимального суммарного содержания легко- и среднерастворимых солей к массе сухого грунта. Льдистость различают весовую и объемную. Весовая льдистость i – отношение массы льда к массе всей воды, содержащейся в грунте. Объемная льдистость iоб – отношение объема льда к объему всей воды, содержащейся в грунте.

Грунт по своей природе – тело неоднородное. Определение какой-либо его характеристики по одному образцу дает только ее частное значение. Поэтому различают нормативные Xн и расчетные X значения физических характеристик грунта. Для определения нормативной характеристики,

прежде всего, находят среднее арифметическое значение X результатов ее

частных определений

19

X= 1 × ån Xi ,

n i=1

где: n – количество определений (объем выборки); Xi – частные значения определяемой характеристики.

Далее проверяют, не содержатся ли среди частных определений данные с грубым отклонением от общей совокупности (отскоки). Исключаются максимальные и минимальные значения Хi, для которых выполняется условие / X – Хi/ > v·Sdis, где: v – статистический критерий, принимаемый по приложению Б; Sdis – среднее квадратичное отклонение

Если такие отскоки отсутствуют, то принимают в качестве нормативной характеристики среднее арифметическое значение Xн = X . Если есть отскоки,

то их исключают из выборки, затем вновь определяют X для уже оставшихся частных определений и снова проводят проверку на наличие отскоков. После исключения всех отскоков должно быть n ≥ 6. Однако нормативные характеристики все равно будут содержать определенную погрешность. Поэтому в ходе расчетов используют расчетные характеристики, получаемые

путем деления нормативных характеристик на коэффициенты безопасности (надежности) X = Xн/γg.

2.2. Классификация грунтов. Связь физических и механических характеристик грунтов. Понятие о расчетном сопротивлении грунтов

Классификационные показатели грунтов применяются для отнесения грунтов к той или иной категории, чтобы предусмотреть в общих чертах

поведение грунтов при возведении на них сооружений и выбрать нормативные давления на грунтовые основания, а в отдельных случаях и

установить возможность применения в расчетах тех или иных теоретических