Предмет и задачи грунтоведения.

Грунтоведение, являющееся одной из составных частей инженерной геологии, изучает грунты, как объект инженерной деятельности человека.

Под грунтами следует понимать почвы и горные породы, изучаемые, как основа под фундаменты или как естественные строительные материалы для различных сооружений.

Предметом изучения грунтоведения является изучение физико-механических свойств горных пород, определяющих их поведение под воздействием инженерных сооружений и природной обстановки. Этими свойствами являются, прежде всего, прочность и деформируемость грунтов, а также изменчивость этих свойств во времени, что, в свою очередь, определяется типом грунта и условиями его залегания - естественными или нарушенными. Причем, изучение свойств горных пород затруднено тем обстоятельством, что свойства пород в отдельных небольших образцах резко отличаются от свойств той же породы, залегающей в естественных условиях - массиве ненарушенного сложения.

С точки зрения грунтоведения грунт является многоуровневой многокомпонентной системой, состояние, состав и структура которой формируются в процессе литогенеза и определяют свойства системы.

Общее грунтоведение, как один из разделов грунтоведения, занимается изучением общих закономерностей генезиса, состава и физико-механических свойств горных пород и разрабатывает методы исследований их состава и свойств.

Важнейшими задачами общего грунтоведения являются следующие:

1. Определение показателей свойств и состояния пород для их классификации и типизации (выделение типов пород с одинаковыми физико-механическими свойствами).

2. Определение количественных показателей прочности и других физико-механических свойств пород для проектирования инженерных сооружений в зависимости от их состава и строения.

3. Составление прогнозов возможных изменений свойств пород под воздействием проектируемого сооружения и оценка опасности устойчивости сооружений.

2. Общие принципы классификации грунтов.

2.1 Общая классификация.

Основой изучения свойств и прогнозирования их поведения является классификация грунтов, которая необходима для решения следующих задач:

· выбора правильной методики полевых и лабораторных исследований почв и пород;

· типизации пород при инженерно-геологической съемке и составлении карт и разрезов;

· предварительного определения инженерно-геологических свойств пород на разных стадиях строительства;

· прогнозирование изменения этих свойств и процессов под влиянием взаимодействия пород с проектируемом инженерным сооружением.

Общая классификация предназначается всех основных горных пород и грунтов, имеющихся в природе, и основывается на признаках, дающих им наиболее полную инженерно-геологическую характеристику. Этими признаками являются:

· геологические (возраст, генезис, условия и форма залегания);

· химико-минералогические (минералогический состав, степень и характер засоления, состав обменных катионов);

· петрографические (гранулометрический состав, структура, текстура, сцементированность);

· физическое состояние (степень влажности, выветрелости, плотности, трещиноватости);

· стойкость ( способность сопротивляться факторам выветривания и растворения);

· механическая прочность.

В 1957 г. была принята общая классификация, разработанная Сергеевым, Приклонским, Панюковым и Белым.

По этой классификации все породы объединяются в 2 класса и 5 основных групп, подразделяемых на 16 подгрупп (затем идет деление на типы, подтипы и виды).

Разделение на классы произведено по прочности и жесткости связей между частицами, образующими породу.

Важнейшими показателями для пород 1 класса (скальных грунтов) с жесткими кристаллизационными связями служит механическая прочность и стойкость, для пород 2 класса (нескальных грунтов) - степень сжимаемости, консистенция, фильтрационные свойства, сопротивление сдвигу.

Выделение групп внутри классов производится по генезису:

Класс с жесткими связями Класс с отсутствием жестких связей

Группы

магматические породы осадочные породы

метаморфические породы почвы

осадочные породы искусственные грунты

Подгруппы выделяются по петрографическим признакам.

2.2. Специальная классификация.

Дополнением и развитием общей классификации являются специальные классификации, по которым породы подразделяются по одному признаку - минералогическому или гранулометрическому составу, пластичности, водопроницаемости и т.д.

Особенности показателей свойств грунтов.

Показатели состояния и физико-механических свойств горных пород выражаются специальными количественными показателями подразделяются на 3 группы:

· классификационные, необходимые для инженерно-геологического картирования, определяемые методом визуализации при полевых исследованиях;

· косвенные, необходимые для приближенной оценки возможного поведения сооружений, определяемые в полевых исследованиях, а также в стационарной лаборатории;

· прямые, необходимые при проектировании и окончательном расчете прогноза поведения строительного сооружения, определяемые на специальных образцах и на специальных приборах в лаборатории.

Методы определения показателей зависят от следующих обстоятельств:

· характера сооружений, определяющего состав необходимых для исследований свойств;

· стадии проектирования, определяющего характер и степень детальности изучения показателей и точность их определения;

· типа пород.

Показатели свойств и состояния могут быть частными, нормативными и расчетными.

· Частные показатели - это отдельно взятые значения какого-либо показателя, определенные на ряде образцов.

· Нормативные показатели получают путем усреднения частных показателей методами математической статистики, При этом усредняются показатели, определенные на образцах одного типа пород, возраста и генезиса.

· Расчетные показатели получают путем умножения нормативных показателей на коэффициент запаса, величина которого зависит от характера сооружения, его класса, типа породы и др. факторов.

Показатели свойств и состояния грунтов определяют на образцах с ненарушенной структурой, в состоянии естественной влажности. Отбору образцов для определения показателей должно предшествовать подробное геологическое изучение пород в поле в естественных условиях. Только на основе комплексного изучения можно правильно типизировать породы, выбрать правильную систему отбора образцов и методику лабораторных исследований.

3. Общие сведения о грунтах.

Основной особенностью грунтов является их раздробленность, т.е. грунт состоит из отдельных частиц различной крупности либо не связанных между собой, либо связанных, но с прочностью связей много меньшей прочности самих частиц грунта. Между частицами имеются поры, которые могут быть заполнены полностью или частично газом или жидкостью. Таким образом, грунт представляет собой трехкомпонентную (трехфазную систему), состоящую из твердых частиц, жидкости и газа. Грунты с отрицательной температурой, в состав компонентов которой входит замерзшая вода (лед), можно рассматривать, как 4-х компонентную систему. Все эти компоненты находятся в сложном взаимодействии, как в естественном, так и в напряженном состоянии грунта.

Природные грунты - это, в основном продукты физического и химического выветривания скальных пород литосферы, поэтому твердые частицы представлены отдельными минералами скальных пород. В песчаных и более крупнозернистых грунтах встречаются, в основном, породообразующие минералы (кварц, полевой шпат, слюда). Глинистые грунты в результате существенного химического выветривания состоят из вторичных минералов - монтмориллонита, каолинита, гидрослюды. Крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты образуют группу “рыхлых” горных пород, к которым и применяется общепринятое определение - “грунты“. Песчаные и глинистые грунты, состоящие из мелких частиц, представляют собой дисперсные системы - от латинского слова -”дисперус” - измельченный.

3.1. Качественная оценка свойств грунтов.

Большое значение при инженерно-геологических изысканиях, особенно на первых стадиях, имеет правильная визуальная классификация, первичное изучение качественных свойств грунтов, выделение из них наиболее важных, оценка комплекса свойств для дальнейшего более глубокого лабораторного изучения. В полевых условиях на естественных обнажениях или в горных выработках инженер-геолог анализирует свойства грунтов и их изменения. Визуально исследуются керн и образцы с нарушенной или ненарушенной структурой, поднятые на поверхность из скважин, при этом составляется инженерно-геологическое описание свойств грунтов. При описании основное внимание уделяется тем особенностям, которые определяют прочность пород, влияют на нее или обуславливают возможные изменения прочности при строительстве или эксплуатации сооружений. Поэтому при описании минерального состава главное внимание должно быть уделено основным породообразующим, водостойким и слабым минералам, при описании степени выветрелости грунтов - изменению их прочности.

Инженерно-геологическое описание по стандартному полному перечню свойств, общая последовательность этого описания такова;

1. название (глина, песок, известняк):

2. минеральный состав;

3. цвет (сочетание цветов); в сухом и влажном состоянии

4. гранулометрический состав или блочность (содержание зерен или блоков определенных размеров);

5. форма зерен;

6. цементация (состав, тип связей, структура);

7. нестойкие составляющие (растворимые, органические и т.д.), тип, распределение в пространстве;

8. пористость (размер пор, их распределение);

9. трещиноватость (размер, направление трещин, наличие заполнителя, его инженерно-геологическое описание);

10. включения (форма, размер и характер распределения);

11. сложение (размеры и форма отдельности);

12. текстурные особенности (слоистость, ритмичность, массивность),

13. выветрелость (новообразования, изменения цвета, цементации, прочности);

14. влажность;

15. консистенция;

16. размокание;

17. прочность;

18. характер изменения грунта в пределах описываемого обнажения.

Показатели, которые для грунта данного вида не могут быть охарактеризованы, или их характеристика лишена смысла, пропускаются. Например, минеральный состав для глинистых грунтов в полевых условиях, как правило, не определяется; для скальных - лишено смысла определение консистенции. При описании грунтов следует пользоваться лупой, скальпелем, реактивами, предметными стеклами.

3.2. Вода и газ в горных породах.

Вода в порах грунта может находиться в жидком, парообразном и твердом состоянии. В твердом состоянии вода находится в виде льда и в виде кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов. В жидком состоянии вода находится в связанном и свободном виде. Образование связанной воды происходит вследствие взаимодействия молекул воды с поверхностями частиц грунта и с ионами веществ, растворенными в воде. На поверхности частицы имеется, как правило, отрицательный заряд. Чем меньше частицы, тем больше их поверхностная энергия, поэтому процесс взаимодействия вода - частица в наибольшей степени характерен для глинистых грунтов. Отрицательно заряженные твердые частицы притягивают к себе и удерживают положительно заряженные катионы водорода, натрия, калия, кальция, алюминия. и др., содержащиеся в поровой воде. Хотя молекула воды в целом нейтральна, но т.к. атомы водорода и кислорода в ней расположены несимметрично, поэтому молекулы представляют собой диполи с положительным и отрицательным зарядом на концах. Молекулы воды, находящиеся вблизи твердых частиц и ориентированные положительным полюсом относительно их поверхностей, под действием сил электростатического взаимодействия образуют вместе с катионами гидратный слой (слой прочносвязанной воды). Электромолекулярные силы с расстоянием резко убывают, поэтому на большом расстоянии от твердых частиц молекулы воды расположены хаотически. Имеющиеся катионы, в свою очередь, удерживают вблизи себя по несколько ориентированных по отношению к ним молекул воды, и в результате образуется диффузный слой (слой рыхлосвязанной воды), плотность которого возрастает с приближением к поверхности частицы. Отрицательно заряженная поверхность каждой твердой частицы вместе с катионами, расположенными в пределах диффузного и гидратного слоя составляют двойной электрический слой.

По мере увеличения расстояния от частицы возрастает число анионов, которые также могут присоединять соответствующим образом ориентированные молекулы воды, и вместе с отдельными молекулами образуют слой свободной воды.

Связанная вода, в отличие от свободной воды, обладает повышенной плотностью, имеет большую вязкость, температуру замерзания ниже 0°. В связанной воде мала роль сил собственного веса по сравнению с силами молекулярного взаимодействия с твердыми частицами. Поэтому количественное соотношение свободной и связанной воды в значительной степени определяет свойства грунтов. В рыхлых грунтах вследствие малой удельной поверхности твердых частиц объем связанной воды, распределенной по поверхности частиц, очень мал. В глинистых грунтах, частицы которых имеют большую удельную поверхность, почти все поры могут быть заполнены прочносвязанной водой. Этим определяется роль удельной поверхности и активности глинистых частиц в формировании свойств глинистых грунтов и резком качественном различии свойств песчаных и глинистых грунтов.

Свободную воду в грунтах подразделяют на гравитационную и капиллярную. Гравитационная вода обладает обычными, общеизвестными свойствами и перемещается в порах грунта под действием силы тяжести. Необходимым условием движения воды на участке является наличие разности (градиента) напоров на этом участке. Поры в грунте образуют сложную по конфигурации систему капиллярных каналов, и поэтому в них наблюдается капиллярное поднятие воды. Движение капиллярной воды обуславливается силами поверхностного натяжения и определяется процессом смачивания водой поверхности минеральных частиц. Чем уже поры, тем на большую высоту может подниматься по капиллярам вода. В крупных песках высота капиллярного поднятия достигает нескольких сантиметров, в пылеватых песках и супесях - 1.5 - 3 метров. Если вода заполняет поры грунта только частично, то она сосредотачивается в контактах между частицами и в наиболее узких порах. Такая вода называется капиллярно-стыковой и создает внутренне капиллярное давление (напряжения всестороннего сжатия) по всему объему влажного грунта. В результате сухой сыпучий песок при небольшом увлажнении приобретает связность и может держать хотя и небольшие, но вертикальные откосы. При высыхании или значительном увлажнении мениски и силы внутреннего капиллярного давления исчезают, и песок снова становится сыпучим.

При распространении в толщу грунта отрицательных температур в первую очередь замерзает свободная вода, при дальнейшем понижении температуры замерзает и рыхлосвязанная вода (в отличие от прочносвязанной). При замерзании вода расширяется и, раздвигая частицы, нарушает структуру грунта. Особая текстура промороженного грунта, называемая криогенной, образуется из линз и прослоек чистого льда, разделенного слоями мерзлого грунта со льдом в порах. При движении фронта промерзания одновременно происходит процесс миграции влаги из окружающего еще незамерзшего грунта в сторону фронта льдообразования, обуславливаемого подсосом воды вследствие сужения пор в результате промерзания, и другими капиллярными и температурными и процессами. В результате за счет дополнительного образования линз и прослоек льда происходят существенные деформации за счет расширения грунта, называемые пучением или морозным пучением грунта.

В верхних слоях газообразная составляющая грунта представлена атмосферным воздухом, ниже - азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Кроме того, в порах грунта обязательно присутствует водяной пар. Газы могут быть либо в свободном состоянии, либо растворенными в воде. При любом изменении давления или температуры воды, заполняющей поры грунта, происходит процесс газо- и паровыделения или растворении и конденсации пара, расширения или сжатия газовых пузырьков. Это сопровождается изменением напряженного состояния и объема грунта и, как следствие, изменением его деформационных и прочностных свойств.

3.3. Структура, текстура и связность грунтов.

Под структурой грунта понимают размер, форму и состояние поверхности грунтовых частиц, относительное расположение этих частиц и характер связей между ними, препятствующих взаимному смещению частиц друг относительно друга под действием внешних сил. Связи между частицами грунта называются жесткими связями. Совокупность твердых частиц грунта и жестких связей между ними (если они существуют) называется скелетом грунта.

Прочность скелета (структуры) грунта, т.е. сопротивление изменению взаимного расположения частиц зависит от прочности связей между частицами и агрегатами. Именно прочность структурных связей обуславливает деление грунтов на связные и несвязные. Связные грунты отличаются от не связных способностью воспринимать хотя бы небольшие растягивающие напряжения и охранять без обрушения вертикальные откосы.

Связность грунтов объясняется:

· молекулярными силами взаимодействия между частицами;

· силами взаимодействия между частицами и ионами в поровой воде (водно-коллоидные структурные связи);

· цементационными связями, соединяющими частицы грунта.

Особенностью водно-коллоидных связей является то, что после их разрушения они восстанавливаются в процессе сближения частиц. Важнейшей особенностью цементационных связей является то, что при достаточном смещении частиц и разрушении цементационных связей они не восстанавливаются (или восстанавливаются очень долго). Поэтому грунты нарушенной структуры при той же плотности обладают меньшей связностью, т.е. меньшей прочностью и большей деформируемостью.

Структура несвязных грунтов может быть плотная или рыхлая. Плотное сложение сыпучих грунтов является наиболее устойчивым, поскольку поры в этом случае заполнены более мелкими частицами. Для рыхлой структуры характерно наличие большого количества пор, размеры которых превышают размеры отдельных частиц.

Структура глинистых грунтов более сложна, поскольку она образуется в результате осаждения в водной среде продуктов кристаллических горных пород; в дальнейшем, в процессе диагенеза первоначальная структура может видоизменяться. Осаждение глинистых частиц может происходить без коагуляции (т.е. без предварительного объединения частиц в микроагрегаты) - в этом случае образуется ячеистая структура, при осаждении частиц с предварительной коагуляцией образуется ячеисто-хлопьевидная структура. При одновременном длительном осаждении глинистых, пылеватых и песчаных частиц образуется сложная неоднородно-ячеистая структура, в которой между более крупными песчаными и пылеватыми частицами располагаются мельчайшие глинистые частицы. Подобная каркасная структура характерна для суглинистых и пылеватых грунтов.

Совершенно особой структурой обладают лессы и лессовидные грунты. Для них характерна не только высокая пористость, но и наличие большого количества крупных пор, б'ольших размеров самих частиц. Связь между частицами в лессовидных грунтах осуществляется за счет структурного сцепления, создаваемого, главным образом, карбонатами кальция , сравнительно легко растворимых в воде.

Взаимное расположение частиц массива грунта с одинаковой структурой определяет текстуру грунта. Наиболее характерные текстуры - массивная (неслоистая) и слоистая. Слоистые текстуры характеризуются наличием слоев, выделяемых по их составу, структуре, окраске и т.д.

В целом текстуры всех пород могут быть разделены на две большие группы: с упорядоченным расположением материала породы и с неупорядоченным. Первая характерна для большинства осадочных, метаморфических и для некоторых магматических пород. Эти текстуры вызывают резкую анизотропность водно-физических и механических свойств в различных направлениях. При неупорядоченном расположении материала свойства пород бывают, как правило, изотропными (сходными во всех направлениях).

4. Основные физические характеристики грунтов.

При изучении свойств грунтов различают свойства, характеризующие физическое состояние грунтов (пористость, водонасыщенность, пределы консистенции), и свойства, отражающие реакцию грунта под действием внешних сил - коэффициенты сжимаемости, водопроницаемости, внутреннего трения и модули деформируемости. Физические характеристики грунтов позволяют количественно оценить их свойства и не зависят от применяемых методов расчета. Схематически структура грунта, как рыхлой дисперсной породы может быть представлена схематически в виде трехфазной системы, в общем случае состоящей из твердых частиц, жидкости и газа.

Рис. 4.1 Схема основных частей грунта.

Введем обозначения:

V - объем грунта; g - вес (m- масса) грунта;

V₁ - объем твердых частиц грунта; g₁ - вес (m₁ - масса) твердых частиц грунта;

V_П - объем пор; V_{П =} V_г + V ₂ ; g₂ - вес (m₂ - масса) воды в порах грунта;

V = V₁ + V_П g = g₁ + g₂ ; m = m₁ + m₂

Отметим, что весом газа в порах пренебрегаем.

Определим следующие физические характеристики грунтов:

1. Объемный вес грунта - это отношение веса образца грунта (веса твердых частиц и воды) к его объему: g = g/V = (g₁ + g₂) / (V₁ + V_П ) [ Н/ м³] ([Н= кг_*м/сек²]).

Наиболее часто встречаемые в строительной практике грунты имеют объемный вес

(13 - 22 )кН/м³.

Плотность грунта - это отношение массы грунта (массы твердых частиц и воды) к его объему: r = m/V = (m₁ + m₂)/(V₁ +V_П) [г/ см³]; ([т/м³]).

Соответственно, диапазон плотности грунтов (1.3 - 2.4) г/см³.

Следовательно, g =r g, причем, в данной формуле g - ускорение свободного падения,

g= 9,8(10) [м/сек² ].

Пример. Выведем соотношение между величиной объемного веса грунта м его плотностью, обращая внимание на единицы измерения:

g=13 кН/м³ = 13000 Н/м³ = 1300 кГс/м³ = 1300 * (1000Г / 10⁶ см³ ) =1.3 Гс/см³

Сравним: r = 1.3 г/ см³ .

Таким образом, если плотность и удельный вес вычислять в [г/ см³] и [Гс(Г) /см³], соответственно, то их численные значения совпадают. Это утверждение справедливо для всех физических величин, определения которых зависят от веса и массы.

Необходимо отметить, что объемный вес породы является прямым расчетным показателем во всех инженерно-геологических расчетах.

2. Объемный весскелета грунта - это отношение веса твердых частиц грунта ко всему объему грунта: g_ск = g₁/ V = g₁ /( V₁ + V_П) [ Н/ м³] ([Н= кг_*м/сек²]);

диапазон величины - (10 < g _ск < 19 ) кН/м³.

Плотность скелета грунта (или плотность сухого грунта) - это отношение массы сухого грунта (твердых частиц грунта) ко всему объему грунта:

r_ск = m₁/V = m₁ /(V₁ + V_П) [г/ см³]; ([т/м³]);

диапазон величины 1.0 < r_ск < 1.9 ) г/см³.

3. Удельный вес скелета грунта - отношение веса сухого грунта (минеральных частиц) к объему сухого грунта (минеральных частиц): g_s = g₁/V₁ [ Н/ м³] ;

диапазон величины - (25 < g _s < 28 ) кН/м³ ;

кварцевые пески - 26.5 кН/м³; суглинки - 27.0 кН/м³; глины -27.5 кН/м³ .

Плотность частиц грунта - это отношение массы твердых частиц (сухого грунта) к объему минеральных частиц грунта:r_s = m₁/V₁ [г/ см³]; ([т/м³]);

диапазон величины 2.5< r_s < 2.8) г/см³

Поскольку m₁ = m-m₂ . а V=V-V_п . то r_s = (m-m₂ )/ (V-V_п )

Плотность частиц грунта определяют пикнометрическим методом.

Удельный вес скелета грунта (удельный вес породы) характеризует твердую фазу, зависит только от минерального состава и возрастает с увеличением в породе тяжелых минералов. Таким образом, удельный вес пород, состоящих из одних и тех же минеральных частиц. есть величина постоянная и не зависит от плотности и влажности образца, взятого для анализа. Необходимо отметить, что в отличие от удельного веса, объемный вес породы, так же как и объемный вес скелета грунта зависит от влажности и пористости породы.

4. Под влажностью грунта (W) понимают содержание в ее порах того или иного количества воды, удаляемой при нагревании породы до температуры не выше 105 градусов. Удаляемая при нагревании вода находится в порах породы и на ее поверхности (в отличие от химически связанной воды в кристаллической решетке минералов, из которых состоит порода).

Влажность грунта - это отношение массы (веса) воды в порах грунта к массе (весу) твердых частиц (сухого грунта) :

w = m₂ / m₁ = (m - m₁ )/ m₁. = g₂ / g₁ = (g - g₁)/ g₁

эти выражения можно представить в виде: w= (r - r_ск)/ r_ск, тогда r_ск = r /( 1+w)

w= (g -g_ск)/ g_ск, тогда g_ск = g /( 1+ w)

Как правило, влажность для большинства грунтов меняется в пределах от 0.01 до 0.6 - от 1% до 60%, но встречаются и грунты (например, илы), у которых влажность достигает 1... 2(200%) и более.

Следует подчеркнуть, что три основные физические характеристики грунта r, r_s, w определяются только экспериментальным путем (см. соответствующие лабораторные работы) и по ним рассчитываются многие величины, по которым классифицируются грунты.

Введем понятие полной влагоемкости грунта, соответствующей полному заполнению пор грунта водой. Полную влагоемкость вычисляют по формуле:

Wп = ( 1/r_cк - 1/r_s ) * r _w ,

где r_cr - плотность сухого грунта (m₁/ V);

r_s - плотность частиц грунта (m₁/V₁);

r _w - плотность воды.

5. Пористость - это отношение объема пор ко всему объему грунта (объем в

единице объема грунта, может быть выражена в % ):

n= Vп / (V₁ + V₂ )= (V -V₁) / V .

Если ввести величину, обратную пористости m=V₁/V,то очевидно, что

m+n=(V₁/V+Vп/V)=1

Домножая формально числитель и знаменатель в выражении m=V₁/V на m₁ и вспоминая определения r_s = m₁/V₁ и r_ск = m₁/V,выполним очевидные преобразования, получим:

m=r_ск/r_sили n = 1-m=(1 - r_cк/r_s) = (1 - g_ск/g_s),что является основанием для экспериментального определения пористости.

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой фазы:

e = Vп/ V₁ = n / (1 - n);

или e = (g_s - g_ск) / g_ск ; n = e / ( 1+ e ).

В нефтяной геологии и гидрогеологии выделяют эффективную пористость, под которой понимают часть пор, способную участвовать в передвижении жидкости (воды или нефти) и газа, в расчетах принимают n_эф=0.1n.

Пористость магматических и сцементированных пород измеряется долями процента. У песчаников и некоторых известняков пористость составляет (35-45)%. В глинистых породах пористость зависит от размеров частиц и структуры породы и может достигать 60%. Фактически вследствие неоднородности рыхлых пород пористость колеблется от 25 до 45%.

5. Некоторые классификационные характеристики грунтов

Понятия влажности и пористости лежат в основе классификации связных (глинистых) и несвязных (рыхлых) грунтов.

1. Степень водонасыщенности грунта.

Для определения степени заполнения пор водой используется показатель, называемый степенью влажности (степенью водонасыщенности грунта), определяемый отношением объема воды в порах к объему пор G=V₂/Vп,т.е. отношением природной влажности к его полной влагоемкости.

Степень влажности можно также определить по формуле: G=Wr_s / e,

где W - влажность, r_s - плотность сухого грунта (m₁/V).

Диапазон величины степени влажности:

G < 0.5 - маловлажные;

0.5 < G < 0.8 - влажные;

0.8 < G < 1. - насыщенные.

Величина степени влажности для некоторых видов грунтов

Монтмориллонитовые глины 71%

Каолинитовые глины 43%

Гидрослюдистые глины 29%

Кварцевый песок 25%

Коэффициент водонасыщенности также характеризует фазовый состав грунта: в предельных случаях степени водонасыщенности G=0 характеризует однофазный грунт - сухие крупнопористые породы, находящиеся выше уреза воды;

G=1 характеризует двухфазный грунт (твердые частицы + вода) - водонасыщенные породы, находящиеся ниже уровня грунтовых вод.

Если грунт находится ниже уровня грунтовых вод, то его твердые частицы испытывают взвешивающее действие воды. и расчетный объемный вес грунта, соответственно уменьшается:

g ^‘ = (g_s - g_в ) (1 - n) = (g_s - g_в )/ (1+e)

Для характеристики грунтов, находящихся ниже уровня грунтовых вод, вводится коэффициент полной влагоемкости грунта G= W/Wп,

где W- естественная влажность грунта;

Wп - полная влагоемкость грунта - влажность при полном заполнении пор водой.

В случае трехфазной системы (твердый скелет+ вода+ пар) и неполном заполнении пор водой объем газов, содержащихся в грунте,

Vг = (Wп- W)( g_ск / g _в)

2.Число пластичности.

В зависимости от влажности для глинистых грунтов приняли для классификации три консистенции - твердую, пластичную и текучую. Границы между ними характеризующие некоторые пределы перехода грунта из одной консистенции в другую, отличаются различными величинами влажности.

Влажность, при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное, называется нижним пределом пластичности или пределом раскатывания Wр.

Влажность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние, называется пределом текучести или верхним пределом пластичности - Wт_.

При W < Wт грунт находится в текучем состоянии, при W > Wр - в твердом.

По мере увеличения содержания в грунте глинистых частиц возрастает величина Iп= Wт - Wр - разность значений влажности на пределах пластичности и текучести, которая называется числом пластичности, величина которого также используется для классификации глинистых грунтов.

По числу пластичности Iп грунты классифицируются следующим образом:

Iп > 17 - глина

7 < Iп < 17 - суглинок

Iп < 7 - супесь

При нахождении этих пределов (соответствующих величин влажности анализируемого грунта) следует тщательно выполнять условия стандартности испытаний, предусмотренные ГОСТом.

Для численной оценки консистенции грунта используется показатель текучести или показатель консистенции I_L :

I_L = ( W - Wр) / Iп

Классификация грунтов по консистенции:

Супеси I_L < 0 - твердая консистенция

0 < I_L < 1 - пластичная консистенция

I_L > 1 - текучая консистенция.

Суглинки и глины

I_L < 0 - твердые

0 < I_L < 0.25 - полутвердые

0.25 < I_L < 0.5 - тугопластичные

0.5 < I_L < 0.75 - мягкопластичные

0.75 < I_L < 1 - текуче-пластичные

I_L > 1 - текучие

3. Степень плотности сложения.

Для несвязных грунтов важнейшей характеристикой их свойств является плотность сложения, т.е. плотность укладки - упаковки частиц.

Основной характеристикой плотности сложения несвязных грунтов является величина степени плотности сложения или коэффициент относительной плотности сложения.

I_D = (e_max - e )/( e_max - e_min ),

где e_max, e, e_min - коэффициенты пористости грунта , соответственно, в максимально рыхлом, естественном и максимально плотном состоянии.

Весь диапазон I_D от 0 до 1 обычно делят на три равные части и вводят следующую условную классификацию несвязных грунтов по величине относительной плотности сложения:

0 < I_D < 0.33 - рыхлые

0.33 < I_D < 0.66 - средней плотности сложения

0.66 < I_D < 1 - плотные

Для оценки I_D необходимо иметь данные полевых определений коэффициента пористости e и в лабораторных условиях данные определений e_max и e_min.

Отметим, что при одном и том же коэффициенте пористости одинаковые по зерновому составу пески могут находиться в различной плотности сложения.

В частности, в зависимости от относительной плотности и водонасыщенности грунтов определяются расчетные сопротивления грунтов по нормали. Так, глинистые грунты текучей консистенции, как основания сооружений, будут непригодными, тогда как глинистые грунты твердой консистенции обладают значительной несущей способностью (2.5-5) кГ/ см². Таким образом, рассмотренные выше простейшие коэффициенты, характеризующие физическое состояние грунтов, позволяют дать общую оценку грунтов, как оснований для сооружений.

4.Гранулометрический состав грунта.

Формально грунт можно рассматривать в виде 3-х фазной системы, состоящей из твердых частиц, жидкости и газа.

Основными результатами полевых и лабораторных исследований являются количественные показатели инженерно-геологических свойств грунта (их более 130). Одни показатели используются для характеристики грунтов любого вида, например, влажность, пористость, объемный вес, другие - для характеристики особенностей отдельных видов грунтов: число пластичности, гранулометрический состав, временное сопротивление сжатию.

В составе грунта большую часть часть занимает твердая фаза. Как показали исследования, в основном свойства грунта зависят от размера и формы частиц, а также от его минералогического состава. Частицы, близкие по размерам, объединяются в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями. Грунты состоят из фракций разной крупности. Весовое содержание в грунте по массе каждой фракции, выраженное в %, называют гранулометрическим составом грунта. Таким образом, гранулометрический состав нескальных грунтов характеризуется содержанием частиц различной крупности в процентах по отношению к исходной сухой навеске.

В грунтоведении принято следующее разделение фракций по размерам:

более 2 мм крупнообломочные

от 2 до 0.5мм песчаные

от 0.05 до 0.002 мм пылеватые

меньше 0.002 мм глинистые

Было доказано (Охотин,1933), что смеси частиц, имеющие размеры, ограниченные указанными пределами, резко различаются по своим главным инженерно-геологическим свойствам, таким, как

· высота капиллярного поднятия,

· пластичность,

· сжимаемость,

· усадка,

· набухание,

· размокание и т.д.

Эти различия основаны на свойствах частиц, входящих в состав каждой фракции:

1. крупнообломочная фракция образована частицами, имеющим тот же минеральный состав, что и породы, из которых образована фракция, частицы этой фракции не обладают связностью;

2. песчаная фракция состоит, в основном, из частиц кварца, полевого шпата, известняка, сравнительно малосжимаемых, сыпучих в сухом состоянии; обл<