4. Инженерное грунтоведение

4.1. Общие сведения

Грунтоведение — это наука о грунтах на поверхности земной коры, используемых при строительстве зданий, сооружений, дорог и др. объектов. Оно изучает свойства грунтов в зависимости от их состава, строения и структурно-текстурных особенностей, степени выветрелости, взаимодействия с водой.

Из свойств грунтов важнейшими являются деформативные и прочностные, недоучет которых влечет за собой ошибки проектирования и строительства знаний и сооружений, порой даже аварийные ситуации.

Прогноз изменений свойств грунтов во времени под влиянием различных воздействий возможен при условии полной информации о их формировании 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 определяет их свойства и состояние, но более важен их минералогический состав.

Осадочные породы (песчаники, аргиллиты, алевролиты, глины, лессы, пески, известняки, мергели и др.) содержат кварц, полевые шпаты, слюды и глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.), образующиеся при выветривании магматических и метаморфических пород.

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

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

В составе грунтов важную роль играет органическое вещество «биота», возникшее при отмирании растительных и животных организмов. Неразложившиеся отмершие растения или полностью разложившееся вещество «гумус» накапливается в почвах, торфах, глинах (особенно в старицах) и реже в песках.

Для органики характерны высокие гидрофильность, влагоемкость и пластичность, низкая водопроницаемость, сильная сжимаемость. Даже малое количество гумуса сильно 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 – соотношение массы фракций или частиц различного размера, выраженное в процентах от массы всего высушенного образца. Его определяют методами: ситовым, отмучиванием и др. По грансоставу определяют вид или тип дисперсного грунта, а по его графическому изображению судить об однородности изучаемого грунта.

Газы в грунтах. Грунты обладают порами с содержанием газа и воды, являясь двух- или трехфазными системами. Преобладание воды или газа определяет свойства грунтов.

Газы в грунтах бывают свободные, адсорбционные, защемленные. Адсорбированные и защемленные газы влияют на уменьшение водопроницаемости, сжимаемости и сопротивления сдвигу грунтов, вызывают многолетнюю осадку насыпей из глинистых грунтов, деформации и разрывы земляных насыпей,.

Вода в грунтах и ее классификация. Вода в грунтах бывает: парообразная; связанная – прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная – капиллярная, гравитационная; твердая (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода может свободно передвигаться в порах и сильно влиять на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых.

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

Прочносвязанная вода создает связность глинистых грунтов.

Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую и вместе с прочносвязанной составляет максимальную молекулярную влагоемкость, которая у песка составляет 1 – 2 %, а в монтмориллонитовых глинах почти 135 %.

Свободная вода бывает капиллярной и гравитационной.

Капиллярная вода поднимается вверх от уровня грунтовых вод за счет сил капиллярного натяжения, образуя в грунте капиллярную кайму мощностью H_к в зависимости от степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы частиц, размера пор, плотности и пористости грунта (в песках достигает 50 см и более, в глинистых грунтах до 2 – 3 м).

Капиллярная вода, подобно гравитационной, передает гидростатическое давление и имеет температуру замерзания 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 и перемещается под действием гравитации сверху вниз. Зона аэрации — часть грунтового массива между поверхностями земли и грунтовых вод. Движется вода в водоупоре только под напором водного потока. 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.

Усадка глинистых грунтов обусловлена их высыханием.