Инженерно-геологические классификации грунтов

123

Методологической основой грунтоведения является генетический подход к грунтам, который должен учитывать все этапы и стадии становления грунтов от момента их возникновения до того момента, когда они становятся объектами инженерно-геологического изучения. Методологическая основа должна использоваться и при решении практических задач, нужно прослеживать связь между свойствами горных пород и процессами, которые их сформировали и на них впоследствии воздействовали. Это необходимо понимать как для полного познания качества грунтов, так и для прогноза изменений этих качеств. Например, ультра основные магматические горные (дуниты), после их кристаллизации на глубинах мантии (более 30…40 км), претерпевают регрессивный метаморфизм и превращаются частично, а местами и полностью в метаморфические породы (серпентиниты), в которых содержатся большое количество разнонаправленных трещин. Серпентиниты на Южном Урале местами, особенно в условиях субтропического климата, который был здесь в мезозое, превратились в буро-красные глины с различным содержанием кобальт-никелевых силикатов. Таким образом, за свою историю серпентиниты пережили этапы магматизма, метаморфизма и выветривания с денудацией. На отдельных участках земной коры вблизи поверхности могут залегать и контактировать дуниты и серпентиниты, выветренные, перекрытые глинами различной мощности до 100…130 метров вдоль зон разломов. В инженерной геологии существуют и применяются на практике различные классификации грунтов: общие, частные, отраслевые и региональные.

КлассификациигрунтоввсоответствииГОСТ 25100

К общей классификации грунтов относится подразделение грунтов в соответствии ГОСТ 25100.В данной классификации выделяются следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

– по общему характеру структурных связей – 4 класса(табл. 21–24);

– по характеру структурных связей с учетом прочности грунтов – группы:

скальные, полускальные, связные, несвязные, ледяные;

– по происхождению и условиям (фациям) образования– подгруппы: магматические, интрузивные и эффузивные, осадочные, метаморфические, промерзшие, конституционно-внутригрунтовые, пещерно-жильные, природные и антропогенные;

– по вещественному (минеральному и химическому) составу – типы: силикатные разного состава, карбонатные, кремнистые, галогенные, сульфатные, железистые, полиминеральные, органические, ледяные минеральные, отходы производственной и хозяйственной деятельности и др.;

– по наименованию (названию) горных пород – видыгрунтов;

– по качественным и количественным показателям вещественного состава,

свойств и структуры грунтов – разновидности.

Таким образом, в основе выделения таксономических единиц: подгрупп, типов

и видов, лежат классификационные показатели горных пород, от которых зависят, главным образом, физико-механические свойства грунтов. С учетом последних, а также с учетом характера структурных связей в горных породах, подгруппы объединены в группы и классы, а виды разделены на разновидности.

Алгоритм качественного определения скального или дисперсного грунта следующий: текстура, структура и минеральный состав горной породы (грунта) → вид грунта → тип и подгруппу грунта → отдельные показатели разновидностей конкретных грунтов (особенности текстуры), например микропористость в опоках, особенности трещиноватости и выветрелости, особенности влажности грунтов для глин и т.п. → разновидность, группа и класс грунта. Наименование грунта должно содержать сведения о геологическом возрасте в соответствии с местными стратиграфическими подразделениями. Возраст горных пород (грунтов) существенно влияет все их свойства.

Выделенные по общему характеру структурных связей основные классы обладают определенными физико-механическими свойствами грунтов. Классприродныхскальныхгрунтов имеет жесткие структурными связи кристаллизационного или цементационного типа. Скальныйгрунт состоит из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

Полускальныйгрунт состоит из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурный связи цементационного типа, как песчаники, известняки и другие.

Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие (Rc≥ 5 МПа – скальные грунты, Rc< 5 МПа – полускальные грунты).

Классприродныхдисперсныхгрунтов обладают водноколлоидными, зависящими от влажности пород, и механическими структурными связями (табл. 25).

Дисперсныегрунты состоят из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом. Они образуются в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их последующем отложением.Дисперсные грунты залегают на земной поверхности и покрывают ее в виде сплошного чехла различной мощности от десятков сантиметров до нескольких десятков, реже сотен мет- ров. В них часто содержатся органические соединения в виде неразложившихся остатков растительных и животных организмов, и также продуктов их разложения и преобразования, называемые органическимвеществом. От его качества и количества зависят влагоемкие свойства грунтов.

Классприродныхмерзлыхгрунтов имеет криогенные структурные связи, зависящие от температуры окружающей среды. Грунтмерзлыйимеет отрицательную или нулевую температуру, содержит в своем составе видимые ледяные включения и (или) «лед–цемент», который как бы цементирует все видимые и невидимые пустоты в грунте. Такая связь называется криогенная структурная связь. Промерзание грунта может привести к смятию грунта, образованию морозобойных трещин и образованию «каменных полигонов» (рис. 46).

Грунтмноголетнемерзлый (синоним – грунтвечномерзлый) – грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет. Грунтсезонномерзлый находится в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона. Грунтморозный имеют отрицательную температуру и не содержащий в своем составе лед и незамерзшую воду. Грунтсыпучемерзлый (синоним — «сухаямерзлота») – крупнообломочный и песчаный грунт, имеющий отрицательную температуру, но не сцементированный льдом и не обладающий силами сцепления.

Класстехногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов могут обладать различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека (см. табл. 24).

Несмотря на большое значение общей классификации грунтов, она требует определенных и уточнений в части разделения пород на разновидности и инженерно-геологической характеристики каждой из выделенных разновидностей.

Специальныеклассификациигрунтов являются дополнением и развитием общих классификаций. В этих классификациях горные породы подразделяются зачастую по каким то ведущим взаимосвязанным признакам: минеральному составу – растворимости, гранулометрическому составу – водопроницаемости, микро пористости – размягчаемости (по Н.Н. Маслову).

К специальным классификациям грунтов относятся подразделение грунтов в соответствии со СНиП II-15-74 по гранулометрическому составу, по степени плотности, по числу пластичности и консистенции, используемые при проектировании фундаментов зданий и сооружений. Часто в разговорах, иногда еще в проектных материалах, используется строителями терминология «старых» классификаций грунтов по Н.Н. Маслову и согласно СНиП II-15-74.

Инженерно-геологическаяклассификациягорныхпород

Одной из применяемых строителями является классификация грунтов, предложенная Н.Н. Масловым в 1956 году. Скальные грунты подразделяются дополнительно на категории нерастворимых и растворимых; а глинистые – на категории водостойких, саморазмягчающихся в воде и неводостойких различных консистенций.

1 класс – скальные (жесткие) породы:

1 категория – нерастворимые (или водостойкие):

1 группа – магматические (гранит, диабаз, порфирит, базальт и др.),

2 группа – метаморфические (кварцит, гнейсы, кремнистые сланцы, слюдистые

сланцы),

3 группа – осадочные сцементированные (кремнистые конгломераты, кремнистые песчаники, кремнистые известняки, опоки);

2 категория – растворимые (неводостойкие):

1 группа – органогенные (известняки, ракушечники, доломитизированные и

другие карбонатные породы),

2 группа – химические осадки (каменная соль, ангидрит, гипс, доломиты),

3 группа – сцементированные неводостойким цементом (известковые песчаники, известковистые конгломераты, гипсовые конгломераты и др.);

2 класс – глинистые породы с мягкими структурными связями:

1 категория – водостойкие, саморазмягчающиеся в воде, слабопластичные

(сцементированные глиносодержащие породы: аргиллиты, алевролиты, глинистые мергели, опоковидные глины);

2 категория – неводостойкие, влагоемкие, высокопластичные глины в различ- ных консистенциях:

1 группа – твердой и полутвердой консистенции,

2 группа – пластичной консистенции,

3 группа – текучей консистенции;

3 класс – сыпучие (зернистые) породы без структурных связей:

1 категория – нерастворимые (водостойкие):

1 группа – грубообломочные (галечники, щебень, дресва и гравий магматических, метаморфических и водостойких осадочных пород),

2 группа – пески (кварцевые, полевошпатовые, полимиктовые),

2 категория – растворимые (неводостойкие):

1 группа – грубообломочные (щебень и галечник из растворимых пород: мрамора, известняка, ангидрита; соли и др.),

2 группа – пески (доломитовые, гипсовые и других растворимых пород);

4 класс – особые породы (мел, лес, соленосные грунты, торф, илы, почвы, вечномерзлые грунты, намывные грунты, культурный слой), обладающие либо способностью к намоканию и просадкам, либо влагоемкостью, либо другими характерными свойствами.

КлассификациягорныхпородсогласноСНиП II-15-74

В зависимости от состава и строительных свойств грунты согласно СНиП II-15-74 подразделяются на скальныеинескальные. Нескальные грунты, в свою очередь разделяются на крупнообломочные, песчаныеиглинистые. В качестве самостоятельной группы выделяются искусственные грунты.

Скальныегрунты подразделяют на разновидности по строительным свойствам. Критериями разделения служат:

– временное сопротивление одноосному сжатию в водонасыщенном состоянии (очень прочные, средней прочности, малопрочные, полускальные);

– коэффициент размягчения (неразмягчаемые и размягчаемые);

– степень выветрелости (невыветрелые, выветрелые и сильно выветрелые или

рухляки).

Для грунтов, способных растворяться в воде (известняки, гипсы, каменные со-

ли), еще устанавливается степень растворимости.

Нескальныегрунты. Крупнообломочные и песчаные грунты подразделяются на основе крупности их зернового состава (табл. 26) и степени влажности. Пески, кроме того, разделяются по плотности сложения, а крупнообломочные грунты – по значению степени выветрелости.

По величине коэффициента выветрелости крупнообломочные грунты подразделяют на выветрелые, слабовыветрелыеисильновыветрелые. Песчаные грунты по плотности сложения подразделяют на плотные, среднейплотностиирыхлые.

Глинистые грунты подразделяют на виды в зависимости от:

– числа пластичности Ip(супеси, суглинки и глины);

– показателя консистенции IL (супеси делятся на твердые, полутвердые, пластичные и текучие, а суглинки и глины – на твердые, полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучие);

– удельному сопротивлению пенетрации Рп(глинистые грунты подразделяются на очень прочные, прочные, средней прочности и слабые).

В группу скальных грунтов входят магматические, осадочные и метаморфические породы в кристаллическом состоянии. Они залегают в виде сплошных протяженных массивов, несжимаемы, в основном водоустойчивы, практически водонепроницаемы при условии, что они невыветрелые и нетрещиноватые.

В группе скальных пород выделяются также и полускальные грунты. К ним относятся трещиноватые и выветрелые магматические породы, вулканические туфы и ряд осадочных пород – гипс, ангидрит, каменная соль, известняки- ракушечники, мел, опоки, кремнистые глины, а также конгломераты, брекчии, песчаники со слабым карбонатным, сульфатным или глинистым цементом. Они менее прочные, чем скальные, более пористые и влагоемкие, водопроницаемые по трещинам.

Для многих скальных и полускальных грунтов важной особенностью является трещиноватость. Прочность отдельных образцов этих грунтов может дать ошибочное представление о прочности всего массива.

Нескальные грунты очень разнообразны и имеют сложный состав и переменную (непостоянную) влажность, от которых зависят другие физико-механические показатели.

Гранулометрическийсоставгрунтов. Каждый нескальный грунт состоит из массы обломков (частиц) различного размера. Обломки (частицы), близкие по размеру и свойствам, объединяют в группы, называемые гранулометрическими фракциями. Каждая фракция имеет свои предельные размеры обломков (частиц) и свое наименование (табл. 27, 28).

* При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от обшей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.

Гранулометрический состав грунтов является одним из важнейших характеристик нескальных грунтов, имеющий существенно значение для оценки их литологического типа и физико-механических свойств.

Крупнообломочные грунты и пески подразделяют по степени неоднородности гранулометрического состава Сu,на:

– однородный грунт Сu ≤ 3;

– неоднородный грунт Сu> 3.

Вещественныйсоставгрунтов представлен обломками наиболее прочных и нерастворимых пород, реже минералов – это так называемая твердая минеральная масса. Среди минеральной массы могут присутствовать вода различного состава, органические вещества и газы.

В твердой части различаю первичные и вторичные обломки (частицы). Первичныеобломки(обломки пород и минералов, возникшие изначально при выветривании; вторичныезерна) образовались в грунте позже в результате различных физико-химических процессов, в том числе химического выветривания, в результате которого возникают, прежде всего,

первичные глинистые минералы. Первичные обломки являются скелетом грунта, а вторичные – цементирующим веществом.

Грунты чаще всего содержат органический материал в виде торфа (грубая полуразложившаяся масса растительных остатков) или гумуса (сложные высокодисперсные органно-минеральные соединения). Их наличие придает грунтам повышенную влагоемкость, плохую водопроницаемость и водоотдачу. В глинистых грунтах из-за них повышается пластичность и возрастает набухание.

Вода в грунтах присутствует практически всегда (от десятых долей процента

до полного водонасыщения) в виде солевого раствора различной концентрации.

Пористость (пустотность) иплотность. Пустотность зависит от соотношения размеров обломков, поскольку пустоты между крупными обломками заполняются, как бы цементируются песчаными и пылеватыми частицами, особенно при их высоком содержании. Чем плотнее упаковка, тем меньше пустотность. Плотность грунта таких грунтов может меняться в пределах 1,3…2,4 г/см3, а истинная плотность в среднем составляет 2,6…2,7 г/см3.

Водывгрунтах выделяются в соответствии с ее состоянием и содержатся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Среди жидкой воды выделяется свободная гравитационная и связанная (физически и химически, а также капиллярная). Все количество воды, содержащиеся в грунте во всех ее видах, в условиях его природного залегания называется естественнойвлажностьюгрунтов. Влажность грунтов ниже уровня грунтовых вод практически не меняется, выше этого уровня наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания влажности. Различают маловлажные грунты (< 50 %), влажные (50…80 %) и насыщенные водой (80…100 %). От влажности грунтов зависят многие инженерно-геологические процессы, например, возникновение оползней в глинистых грунтах и на склонах, подтопление в долинах рек и на побережьях морей и озер и др.

Крупнообломочныегрунты. Между обломками отсутствуют структурные связи. Они практически не уплотняются, обладают большой водопроницаемостью, при полном заполнении пустот водой слабо сопротивляются воздействию сейсмических явлений. При залегании этих грунтов на определенной глубине от земной поверхности (2…3 м), пустоты между крупными обломками заполняются песчано-глинистой фракцией, что отражается на их свойствах.

Песчаныегрунты. Находятся в сыпучем состоянии. Структурные связи отсутствуют. Связность проявляется при увлажнении. Свободная поверхность сухих песков имеет некоторый уклон, называемых угломестественногооткоса.

Глинистыегрунты. Свойства их зависят от влажности. Если содержится только прочносвязанная (гигроскопическая или адсорбированная) вода, горная порода имеет свойства непластичного твердого, более или менее прочного грунта. При наличии рыхлосвязанной (пленочной или воды поверхностного слоя по В.Д. Ломтадзе) воды грунт становится пластичным, в присутствии свободной воды или при нарушении структуры породы переходит в текучее состояние. Глинистые грунты наиболее распространенные основания зданий и сооружений. Они способные из- менять свои свойства во времени, поэтому им следует уделять особое внимание и изучать все их свойства для конкретных участков строительства.

Состояние глинистых пород, особенно молодых неуплотненных глинистых осадков, а также и глин с нарушенной структурой (перемятых глин), меняется закономерно в зависимости от изменения влажности: при небольшой влажности они находятся в твердом состоянии, при увлажнении – размягчаются, легко под- даются формовке, а при большом переувлажнении – переходят в текучее состояние, подобно жидкости. У коренных уплотненных древних глинистых пород с ненарушенной структурой эти состояния при изменении влажности не проявляются вследствие наличия структурных связей, сцепления. После нарушения структурных связей такая глинистая порода может переходить в мягкое состояние или даже текучее без дополнительного увлажнения. Эти изменения физического состояния глинистых грунтов характеризуются определенными формами консистенции.

Консистенция – степень подвижности частиц, слагающих глинистую породу, под влиянием внешнего механического воздействия при различной влажности. Различают твердую, пластичную и текучую, а также переходные формы или разновидности консистенции (табл. 29). Границам различных форм (разновидностей) консистенции соответствуют характерные значения влажности, определяющие момент перехода породы из одного состояния в другое.

В практике инженерно-геологических исследований и при проектировании оснований сооружений наиболее часто используют пределыпластичности. Пластичность – способность некоторых пород изменять свою форму – деформироваться без разрыва сплошности, под влиянием внешнего воздействия и сохранять эту форму после прекращения этого воздействия. Пластичности характеризует остаточные деформации, от которых зависит выбор нормативных давлений при проектировании оснований фундаментов зданий и сооружений. Ниже приводятся количественные характеристики пластичности.

Влажность, при которой глинистый грунт переходит из твердого состояния в пластичное состояние, или наоборот, называют границейраскатыванияилинижнимпределомпластичности (WР). Влажность грунта, при котором он переходит из пластичного состояния в текучее, или наоборот, –границейтекучестииливерхнимпределомпластичности (WL). Разность между ними называется числом пластичности IP = WL – WР (табл. 30). Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт.

Искусственные грунты человек издавна использует в качестве оснований зданий и сооружений, а также материала для строительства земляных плотин, железнодорожных насыпей и т.п. (табл. 31).

Намытыегрунты образуются в результате гидромеханизации. Производят организованные с заранее заданными свойствами намывы и неорганизованные намывы.

Отсыпанныегрунты с планомерной отсыпкой образуются из природных горных пород разного состава с целью планировки территории или создания различных земляных сооружений (насыпи железных и автомобильных дорог, дамбы). Для этого используются грунты соседних выемок или специально заложенных карьеров. Бывают случаи формирования насыпей из отходов производства (шлаки, золы). Образование грунтов с непланомерной отсыпкой обычно связано с необходимостью удаления больших масс горных пород (срезка при планировке местности, выемка грунта из котлованов, проходка траншей), промышленных отходов (шлаки, золы) и бытовых отбросов в отвал. Общим для таких грунтов является недоуплотненность, водонасыщенность, способность к большой сжимаемости. Естественное уплотнение таких грунтов проходить достаточно долго. Для планомерно возведенных насыпных грунтов до 2 лет; для глинистых грунтов до 8 лет; для отвалов песчаных грунтов до 5 лет; для свалок отходов различных производств и бытовых отходов до 30 лет.

Грунты, измененныенаместе, отличаются большой разрыхленностью и обводненностью. Они бесструктурны и непрочны.

Грунтыкультурныхслоев являются результатом стихийного накопления от- ходов, возникающих в результате производства земляных работ, неоднократных процессов благоустройства дворов и улиц, накопления строительного мусора. Мощность культурных слоев колеблется от нескольких сантиметров до многих метров. В Москве она превышает 20 м; в Новгороде – 14 м. Строительство на та- ких грунтах затруднено.

Рассматривая две последние классификации грунтов, в частности последнюю - СНиП II-15-74, следует обратить внимание на то, что для одних и тех же грунтов в настоящее время в ГОСТ 25100 используются другие термины: старый термин «нескальные» заменен на дисперсные грунты, искусственные – техногенные и т.д. Кроме того, в соответствии с современным природоохранным законодательством вся хозяйственная деятельность и тем более проведение земляных работ осуществляется согласно установленным нормам Градостроительного, Земельного и др. кодексов и законодательных актов.

123

Дата добавления: 2017-02-01; просмотров: 10980;