26-02-2014_18-06-33 / ЛЕКЦИЯ 5

4.ИНЖЕНЕРНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ

4.1.Общие сведения

Грунтоведение — это наука о грунтах на поверхности земной коры, используемых при строительстве зданий, сооружений, дорог

идр. объектов.

Грунтоведение изучает свойства грунтов в зависимости от их со-

става, строения и структурно-текстурных особенностей.

При оценке свойств грунтов оснований большое внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям, которые зависят от химико-минерального состава, структур и текстур, характера взаимодействия грунтов с водой, степени их выветрелости. Недоучет тех или иных особенностей свойств грунтов оснований влечет за собой ошибки при проектировании и строительстве знаний и сооружений, что в итоге приводит к утрате прочности грунтов в период эксплуатации.

Прогноз изменений свойств грунтов во времени под влиянием различных воздействий возможен при условии полной информации о том, как они сформировались в процессе генезиса и всей последующей их «жизни». Особую значимость все больше стали приобретать техническая мелиорация грунтов и экологические вопросы.

4.2. Основные категории состава, строения и состояния грунтов различного генезиса

Химический и минералогический состав грунтов. Химический состав грунтов является одной из важнейших характеристик, определяющих их свойства и состояние. Гораздо более важной характеристикой грунтов является их минералогический состав, определяющий их состояние и инженерно-геологические свойства.

Осадочные породы (песчаники, аргиллиты, алевролиты, глины, лессы, пески, известняки, мергели и др.) содержат в наибольшем количестве кварц, полевые шпаты, слюды, встречаются минералы групп амфиболов и пироксенов. В таких породах очень широко распространены глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды, бейделит, иллит и др.), образующиеся в процессе выветривания магматических и метаморфических пород.

3

Глинистые минералы имеют размер не более 1 – 10 мк. В силу большой активности они даже при небольшом содержании существенно влияют на многие важнейшие инженерно-геологические свойства грунтов, такие как гидрофильность, прочность, водонепроницаемость, пластичность, набухание и др.

Плотность глинистых частиц: 1,77 – 2,60 г/см3 – для монтмориллонита, 2,13 – 2,66 г/см3 – для гидрослюд.

Важным компонентом состава грунтов является органическое вещество «биота», возникшее в результате жизнедеятельности и отмирания растительных и животных организмов. Наиболее распространены неразложившиеся отмершие растения или полностью разложившееся вещество «гумус», накапливаемые в почвах, торфах, глинах (особенно старичных фаций) и реже в песках.

Для органики характерны высокие гидрофильность, влагоем-

кость и пластичность, низкая водопроницаемость, сильная сжи-

маемость. Гумус даже в малых количествах коренным образом изменяет свойства грунтов. Он обладает кислотными свойствами. Всего 3% гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойства, водоустойчивость.

Плотность органики 1,25 – 1.80 г/см2.

Гранулометрический состав грунтов. Количественные соотно-

шения и размеры грунтовых частиц являются основным классификационным показателем и имеют огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов.

Под гранулиметрическим составом грунтов понимается коли-

чественное соотношение фракций или частиц различного размера. Содержание фракции выражается в процентах по отношению к массе высушенного образца. Гранулометрический состав определяют специальными методами: ситовым, отмучиванием и др. [19].

Его графическое изображение позволяет судить об однородности изучаемого грунта. Грансостав является классификационным показателем и позволяет определять вид или тип дисперсного грунта.

Газы в грунтах. Грунты обладают порами, в которых содержатся газы и вода. При заполнении пор одним из этих компонентов грунты становятся двухили трехкомпонентными системами. Преобладание воды или газа определяет свойства грунтов.

Газы в грунтах бывают свободные, адсорбционные, защемлен-

4

ные, а в заполняющей поры воде могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней [2].

Адсорбированные и защемленные газы оказывают влияние на свойства грунтов. Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение водопроницаемости грунтов.

Вода в грунтах и ее классификация. Вода в грунтах бывает:

парообразная; связанная – прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная – капиллярная, гравитационная; в

твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода. Водяной пар играет большую роль в протекающих в грунтах процессах, поскольку может свободно передвигаться в порах, а при его конденсации на поверхности частиц образуются другие виды воды. Подвижность парообразной влаги влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых.

Связанная вода имеет плотность 1,20 – 1,40 г/см3. Она практически несжимаема и перемешается в грунтах по направлению падения электрического потенциала и температур грунта, увеличения его дисперсности. Замерзает при температуре – 4°С. Её под-

разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода возникает в грунтах в количестве, кото-

рое зависит от их минералогического состава, дисперсности, степени однородности, формы и характера поверхности минеральных частиц, а также состава обменных катионов. Опреде-

ляет связность глинистых грунтов.

Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Общее содержание прочносвязанной и пленочной воды со-

ставляет так называемую максимальную молекулярную влагоем-

кость. Она у песка составляет 1 – 2 %, а в монтмориллонитовых глинах почти 135 %.

Свободная вода подразделяется на капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода формируется за счет ее поднятия вверх от уровня грунтовых вод, образуя в грунте капиллярную кайму мощностью Hк в зависимости от степени дисперсности, неоднородности

5

грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности частиц, плотности и пористости грунта (в песках достигает 50 см и более, в глинистых грунтах до 2 – 3 м).

Влажность грунта, у которого все поры заполнены капиллярной водой, называют капиллярной влагоемкостью. Капиллярная вода, подобно гравитационной, передает гидростатическое давление и имеет температуру замерзания значительно ниже нуля (при диаметрах капилляров 1,6 мм – 6,4 °С; при 0,06 мм – 19 °С.). Эта вода передвигается за счет разности температур (от холода к теплу).

Гравитационная вода располагается преимущественно в зоне аэрации и перемещается под действием гравитационной силы сверху вниз. Зона аэрации — это часть грунтового массива между поверхностями земли и грунтовых вод. Движется вода в водоупоре только под напором водного потока. Слой грунта, в котором движется водный поток, называют водоносным горизонтом.

Максимально возможное содержание связанной, капиллярной и гравитационной воды в грунте при полном заполнении его пор называют полной влагоемкостью грунта.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля вода замерзает и превращается в лёд, который играет роль природного цемента, скрепляющего частицы, резко изменяет свойства грунта.

Кристаллизационная и химически связанная вода участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов, таких как гипс (СаS04 х 2Н20) и ряда других. Чтобы удалить такую воду минерал нужно нагреть до 200 °С, что может привести к его распаду (разрушению).

Усадка глинистых грунтов обусловлена их высыханиемю

4.3. Строение грунтов

Под строением грунтов понимают совокупность их структурнотекстурных особенностей, т. е. их структуру и текстуру. В переводе с латинского «структура» — это строение, расположение, устройство, построение, а «текстура» — ткань, соединение, связь. Под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности частиц и характер взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой — пространственное расположение слагающих эле-

6

ментов грунта (независимо от их размера).

Типы структурных связей. Структурные связи возникают в ре-

зультате физико-химических процессов: кристаллизации, старения, конденсации содержащихся в породе соединений, а также адсорбции, миграции, пропитки и кристаллизации проникающих в грунт цементирующих веществ из окружающей среды. Методы технической мелиорации (изменения свойств) грунтов позволяют получать у них заданные свойства или изменять их в нужном направлении, создавая искусственные связи путем цементации.

Химическая связь возникает при при наличии между зернами прочного цементирующего вещества.

Минеральные зерна могут быть окатанными или неокатанными с шероховатой, полированной, кавернозной или иной поверхностью

Роль структурно-текстурных особенностей грунтов. В тонко-

дисперсных глинистых, пылеватых, песчаных и крупнообломочных грунтах выделяют типы текстур: горизонтально-косо-слоистая,

линзовидная, «с признаками ряби» и т. д. Для многих грунтов ха-

рактерна анизотропность свойств, обусловленная различием прочности на сжатие, сопротивления сдвигу, модуля деформации в вертикальном и горизонтальном направлениях.

4.4.Состояние грунтов

Кхарактеристикам состояния скальных грунтов относят степень трещиноватости, выветрелости, влажности, водонасыщенно-

сти, плотности. Предел прочности на сжатие в образце существенно больше, чем в массиве, иногда до двух порядков. Трещины выветривания заполнены вторичным минеральным материалом, повышают неоднородность массива и уменьшают прочностные, деформационные и фильтрационные свойства грунтов в массиве.

Для несвязных грунтов особо важна степень плотности., а

для связных – их консистенция (влажность).

4.5.Классификация грунтов

7

пов, В.А. Приклонский, П.Н. Панкратов, Е.М. Сергеев, Л.Д. Белый. Классификация грунтов отражает их свойства, основываясь исключительно на генетическом подходе.

Инженерно-геологическая классификация грунтов разработа-

на Н.Н. Масловым [3]. Исходя из прочности и связи между зернами

иминералами грунты (породы) разделяют на 2 группы:

1 – с жесткими структурными связями;

2 – без жестких структурных связей;

Вторая группа подразделяется на три крупные подгруппы:

а – связные ( глинистые) и пылеватые; б – обломочные несцементированные или несвязные (сыпу-

чие); в – биогенные (особого состава или состояния).

Породы с жесткими структурными связями – скальные (маг-

матические, метаморфические и сцементированные оса-

дочные) - конгломераты, брекчии, песчаники, алевролиты и аргиллиты из крупнообломочных и песчаных грунтов при их цементации в природных. Самые прочные базальтовый и кремнеземистые цементы.

К хемогенным породам относят известняки, известковый туф, доломит, ангидрит, гипс, каменную соль и др. Они растворимы в воде и трещиноваты, что способствует возникновению карста.

Органогенные (биохемогенные) породы - известняк-

ракушечник, диатомит и трепел. Они имеют значительную пори-

стость, растворимы водой и сильно сжимаемы.

Карбонатные осадочные породы - известняки и доломиты,

мел. К смешанному типу относятся различные мергели, известковые песчаники. Мергели с известково-глинистым составом могут набухать при насыщении водой трещин, но при этом снижается их водопроницаемость. Мел в сухом состоянии достаточно плотный, но при насыщении водой обладает мягкой консистенцией.

Сульфатные и галлоидные породы - гипс, каменная соль,

сильвин, сильвинит и карналлит. Все они растворимы водой.

Магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы - скальные грунты. Их классифицируют:

По водостойкости: а – водостойкие; б – водонестойкие.

8

По прочности:

1.Скальные с временным сопротивлением сжатию более 40 МПа:

2.Скальные с временным сопротивлением сжатию 5 – 40 МПа.

Породы без жестких структурных связей

а. Грунты связные (глинистые)

Водостойкие (слаборазмягчаемые) – аргиллиты, мергели. У них малая сжимаемость, прочность невысокая.

Размягчаемые – глина, суглинок, супесь. Их прочность зависит от влажности и определяется консистенцией (густотой теста), по которой различают состояния: твердое, пластичное, текучее. По сжимаемости: слабо-, средне- и сильносжимаемые.

Глинистые грунты водонепроницаемы, но влагоемкие.

При определении физико-механических характеристик глинистых грунтов очень важно сохранить естественную влажность. Свойства их сильно зависят от возраста. Древние уплотненные глины при попадании в зону попеременного увлажнения легко разрушаются.

Осадки фундаментов на глинистых грунтах протекают медленно и могут длиться десятилетиями и более («Вековая осадка» Пизанской башни).

б. Грунты сыпучие а – водостойкие; б – водонестойкие.

Прочность этих грунтов определяется внутренним трением и зависит от характера зацепления. Они – водопроницаемы.

На свойства этих грунтов оказывает влияние не столько влажность как плотность сложения. Сыпучие грунты бывают плотные,

средней плотности и рыхлые (прочные, средней прочности и слабые соответственно), что выражается также в их слабой, средней и сильной сжимаемости под воздействием давления. По степени насыщения водой они бывают маловлажными, влажны-

ми и насыщенными водой.

в. Грунты особого состава (особые)

К ним относятся все грунты, не вошедшие в вышеназванные классы: лёссы, торфы (биогенные), илы, мел, почвы, культурный слой, насыпные и намывные, искусственные и др.

9

Они обладают большой пористостью, могут давать большие осадки при сжатии (лёссовые – просадки от замачивания).

В настоящее время грунты согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95 разделяют на следующие классы – природные: скальные, дис-

персные, мерзлые и техногенные.

Каждый грунт имеет свои присущие ему строительные свойства. В оценке свойств грунтов, входящих в расчеты оснований фундаментов, наибольшее значение имеют физико-механические характеристики. Они позволяют выполнять необходимые расчеты при проектировании зданий и сооружений.

Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Механические свойства грунтов оцениваются их прочностными и деформационными характеристиками.

К физическим свойствам нескальных грунтов, используемым в расчетах оснований, относятся коэффициент фильтрации Кф и плотность грунтов ρ. Важными расчетными характеристиками являются коэффициент пористости е, степень влажности Sr и показатель текучести IL. Они характеризуют состояние грунтов. По коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести IL характеризует подвижность глинистых частиц при механических воздействиях на грунт. Значение Sr отражает степень заполнения пор грунтов водой.

Прочность скальных грунтов - максимальная нагрузка, приложенная к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Rс, МПа, или временным сопротивлением сжатию. На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде и др.

Для нескальных грунтов характеристикой прочности является сопротивление сдвигу, определяемое оценивается силами внутреннего сдвига (φ, град., и сцепления С, кПа). Эти показатели необходимы для расчета устойчивости, т. е. несущей способности оснований и откосов строительных котлованов, давления грунта на подпорные стены и т. д.

10

Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не приводящими к разрушению. Они оцениваются модулем деформации Е, МПа.

Реологические свойства грунтов. Свойства грунтов могут изменяться во времени в силу воздействия процессов выветривания и многолетнего воздействия больших нагрузок. Все это приводит к «усталости» грунтов, их структура расслабляется. В результате деформаций ползучести и даже текучести грунт разрушается и здание деформируется. Этот процесс называют реологическим, он часто наблюдается при строительстве сверхвысоких зданий и крупных промышленных объектов.

4.6. Физико-механические свойства грунтов

Физические свойства грунтов. Отметим вначале наиболее ха-

рактерные физические свойства грунтов согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95. К числу наиболее важных характеристик относятся плотность и пористость грунта.

Удельный вес грунта — отношение веса грунта с водой в его порах к занимаемому этим грунтом объему, включая поры:

g = G/V,

где g – удельный вес грунта, кН/м3; G – вес грунта естественной влажности и сложения, кН; V – объем, занимаемый грунтом, м3. Удельный вес частиц грунта - отношение веса сухого грунта к объему его твердой части:

gs = Gs/Vs;

где gs – удельный вес частиц грунта, кН/м3; Gs – вес частиц сухого грунта, кН; Vs– объем, занимаемый частицами грунта, м3. Удельный вес частиц грунта изменяется для всех грунтов в пределах от 26,1 до 27,5 кН/м3.

Удельный вес сухого грунта - отношение веса сухого грунта ко

11

всему занимаемому этим грунтом объему:

gd = g/(1 +0,01w);

где gd – удельный вес сухого грунта, кН/м3; w – его влажность, %. Пористость грунтов - процентное отношение объема пор к

общему объему грунта:

n = (Vn/ V)100%,

где Vn – объем пустот грунта, см3; V – объем грунта, см3.

Пористость грунта выражают через значение его удельного веса:

n = (1 – gd / gs )100%.

Коэффициент пористости - отношение объема пустот (пор) к объему твердых минеральных частиц грунта. Коэффициент пористости выражается в долях единицы.

e = Vn / Vs; e = n / (1-n); или e = (gs – gd) / gs .

Водно-физические свойства грунтов.

Влажность грунта w, % - процентное отношение массы воды, содержащейся в порах, к массе сухого грунта (высушивание образца нужно производить в термошкафу при t = 105...107 oС в течение 8 ч и более). Она служит важнейшей характеристикой физического состояния, определяющей прочность, деформируемость и другие свойства при использовании в инженерных целях.

w = 100 (m – ms) / ms ,

где т – масса грунта вместе с содержащейся в нем водой, г; тs – масса высушенного грунта, г.

Максимально возможное содержание в грунте воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостью грунта wn.

Ее определяют по формуле:

12