Инженерная геология

Физико-механические свойства грунтов

1.      Физические свойства и состояния грунтов

              Свойства грунтов характеризуют их поведение в определённых условиях. Под физическими свойствами грунтов мы понимаем свойства, которые проявляются без изменения структурных связей под влиянием физических полей: гравитационного, теплового, электрического и др. К числу физических свойств относятся плотность, проницаемость, теплофизические, электрические и магнитные свойства грунтов.

              К наиболее важным физическим свойствам грунтов относится плотность, пористость, влажность. Эти свойства взаимозависимы и в целом выражают физическое состояние грунтов, как в условиях естественного залегания, так и в основаниях сооружений. По основным физическим свойствам можно косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости песчаных и глинистых пород, а также об их изменении под влиянием геологических процессов.

              Плотность.

              Плотность минеральной части пород характеризуется массой (qc) в единице объема минеральной части (Vc) породы. Состав грунта схематически представлен на рисунке 1.

              Плотность минеральной части ρс=qc/Vc определяется минеральным составом горных пород и выражает среднюю плотность слагающих им минералов.

              Плотность породы – это масса (qc + qв) в единице её объёма при естественных влажности и сложении:

ρ=(qc + qв)/V0

              Она определяется плотностью минеральной части, пористостью и влажностью горных пород. Обычно, чем выше плотность минеральной части, тем выше и плотность горной породы, чем больше пористость, т.е. чем более рыхлую упаковку имеют частицы в единице объёма горной породы, тем меньше её плотность. При увеличении влажности при данной пористости горная порода становится тяжелее, плотность её повышается.

              Плотность скелета – это масса единицы объёма сухой горной породы qc естественного сложения:

ρd= qc/V0

              Она, как и плотность горной породы, выражает степень её уплотнённости. Чем она выше, тем выше плотность скелета, тем меньше она отличается от плотности горной породы в целом.

              Пористость.

              Структурные элементы, слагающие грунты, при неплотном прилегании друг к другу образуют промежутки различной величины, которые называются порами. Суммарный объём всех пор в единице объёма, независимо от их величины и степени заполнения, называется общей пористостью пород.

              Величина пористости (n) определяется по формуле

n=(ρs – ρd)/ ρs * 100%

              Часто пористость характеризуется коэффициентом пористости или приведённой пористостью (ε):

ε=(ρs – ρd)/ρd

              От общей пористости и размера пор зависят свойства грунтов. По величине пористости судят о степени уплотнения пород и их сжимаемости в различных условиях. С величиной пористости тесно связаны водопроницаемость, термические, электрические и другие свойства пород.

              Консистенция глинистых пород.

              Консистенция обычно характеризуется определёнными влажностями. Эти характерные влажности принято называть пределами пластичности. Наиболее важными из них для определения физического состояния глинистых пород являются предел текучести (W1) и предел раскатывания (Wр). Предел текучести соответствует такой влажности, при превышении которой глинистая порода нарушенного сложения из пластичного состояния переходит в текучее и становится вязкой жидкостью. Предел раскатывания соответствует влажности, при которой глинистая порода также нарушенного сложения из полутвёрдого состояния переходит в пластичное. Соответственно при пределах текучести и раскатывания происходит резкое изменение внутреннего сопротивления глинистой породы деформациям – их прочности. Между пределами текучести и пластичности глинистые породы обычно находятся в пластичном состоянии, то есть в таком, когда под действием внешней силы они могут принимать различную форму и сохранять её после устранения этой силы, не изменяя при этом своего объёма.

              Интервал влажности, в пределах которого глинистая порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности(J11).

              Для ориентировочного суждения о состоянии глинистой породы в условиях естественного залегания следует определять показатель текучести J1:

J1=(W – Wр)/ J11.

              Показатель текучести имеет отрицательное значение для пород, естественная влажность которых меньше предела раскатывания, то есть пород в твёрдом состоянии.

2.      Механические свойства грунтов

Механические свойства подразделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства грунтов.

При оценке устойчивости проектируемых сооружений всегда встаёт вопрос о величине их осадки, которая является следствием уплотнения грунтов, находящихся в основании этих сооружений. Поэтому при инженерно – геологических исследованиях грунты должны быть опробованы на сжимаемость (компрессионную способность).

Сжимаемость связана с изменением (уменьшением) объёма пор в грунте под нагрузкой, то есть величина нагрузки, прилагаемой к грунту. Отсюда, чем больше пустот в породе и чем больше она нагружена, тем больше сжимаемость грунтов.

Сжимаемость грунтов может быть выражена:

      зависимостью коэффициента пористости (ε) от давления р в виде ε= f(р) (Терцаги);

      величиной коэффициента уплотнения, или сжимаемости (Н.М. Герсеванов);

      величиной относительной деформации (Н.Н. Маслов)

Герсеванов предложил сжимаемость оценить через коэффициент уплотнения а. Данный метод основан на принципе спрямления некоторого участка компрессионной кривой, на котором (спрямлённом участке) определяется коэффициент уплотнения по зависимости

а=(ε1 - ε2)/(р2 – р1)

где р1 и р2 - начальная и конечная нагрузки;

ε1 и ε2 - коэффициенты пористости, соответствующие нагрузкам р1 и р2.

Маслов в качестве показателя, характеризующего сжимаемость, предложил использовать относительную деформацию е. Напомним, что в соответствии с законом Гука

е=р/Е,

где Е – модуль сжатия, Па.

Определение е производится опытным путём посредством расчёта величины сжатия ∆h образца высотой h при той или иной нагрузке р, т.е.

е=∆h/h.

Отсюда при заданных значениях е и р достаточно легко определить величину Е:

Е=р/е.

Е отражает условия сжатия грунта и называется модулем общей деформации для дисперсных грунтов и модулем упругости для скальных и полускальных пород.

В практике инженерных расчётов часто в качестве показателя сжимаемости применяют непосредственно величину относительной вертикальной деформации

ер=1000∆h/h0.

Величина ер называется модулем осадки и представляет величину сжатия в миллиметрах столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки.

Величина коэффициента уплотнения грунта (а) связана с величиной модуля общей (линейной) деформации (Е) следующим соотношением:

Е=β*(1+ ε0)/ а= β/а0,

где а0 – коэффициент относительной сжимаемости, а0=а/(1+ ε0);

β – коэффициент, зависящий от коэффициента относительной поперечной деформации грунта (аналогично коэффициенту Пуассона для упругих тел).

Уплотнение грунтов во времени при постоянной нагрузке называется консолидацией. Знание процесса консолидации глинистых грунтов необходимо для правильного прогноза скорости осадок сооружений.

При действии вертикальной нагрузки грунт сжимается и стремится расшириться в стороны; при этом возникает давление, которое называется боковым распором. Величина бокового давления в условиях, когда исключено боковое перемещение частиц грунта, составляет определённую часть от вертикального давления:

Ргор=ξРверт,

где ξ – коэффициент бокового давления в состоянии покоя. Величина ξ зависит от состава и строения грунтов. Коэффициент бокового давления необходим для расчёта различного рода подпорных сооружений, ограждений крепления откосов и т.п.

3.      Прочностные свойства грунтов

Прочностные свойства грунтов характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяются только при разрушении грунта. Потеря прочности материала осуществляется, как правило, путём разрыва и (или) сдвига. Основными показателями прочности грунта являются сопротивление разрыву и сдвигу.

Природа прочности пород. В практике наиболее широкое распространение получила теория Кулона-Мора:

τпр=σ*tgφ+c,

где φ – угол внутреннего трения, град;

с – сцепление, МПа.

τ=τтр+τсд,

где τтр – напряжение, вызывающее рост трещин Гриффитса,

τсд – сдвигающее напряжение.

Сопротивление грунтов одноосному сжатию относится к прочностным свойствам грунтов.

Расчёт сопротивления сжатию производится на основе предположения об однородном напряжённом состоянии образца грунта по формуле

σсж=Рразд/F,

где Рразд – усилие раздавливания при определенной высоте образца h, м;

F – площадь поперечного сечения образца, м².

Сопротивление грунтов одноосному растяжению. Прочность породы на одноосное растяжение (σрас, МПа) вычисляют по формуле

σрас=Р(43/D)²,

где Р – максимальное показание манометра, МПа;

D – диаметр образца, м.

Сопротивление грунта объёмному (трёхосному) сжатию. В приборах трёхосного сжатия (стабилометрах) боковое давление обычно создают гидравлическим способом. Образец в водонепроницаемой оболочке помещают между двумя поршнями в камеру (стабилометр), которую затем наполняют какой-либо жидкостью (например, маслом), передающей боковое давление на образец. Если σ2 – боковое давление на образец, равное давлению в камере, то вертикальное давление σ1=Р/F+σ2, Р – вертикальное усилие (Н); F – площадь поперечного сечения образца (м²).

Плоскостной и линейный смыв

Под влиянием солнечного тепла в природе осуществляется непрерывный круговорот воды. С поверхности суши и водных бассейнов постоянно происходит испарение, и пары воды поступают в нижние слои атмосферы, образуя там облака. Конденсация паров в атмосфере приводит к образованию осадков, которые в виде дождя или снега выпадают на поверхность Земли. Часть текущих вод суши по долинам рек и оврагов возвращается в моря и океаны. Этот процесс повторяется непрерывно.

Атмосферные воды, проникающие в трещины и поры горных пород, образуют там подземные воды. Однако со временем часть подземных вод выходит на поверхность, питает ручьи и реки, и таким образом, тоже участвует в круговороте воды.

Итак, атмосферные воды частично расходуются на сток, частично на испарение и частично на питание подземных вод. Соотношение между этими частями колеблется в широких пределах и зависит от количества выпадающих в один приём осадков, от рельефа земной поверхности, от водопроницаемости пород, от температуры и ряда других причин.

Текучие воды на своём пути к морю проделывают огромную работу: разрушают сушу, изменяя её рельеф, перемещают и отлагают рыхлые продукты разрушения.

Разрушительная деятельность проточной воды обусловлена перемещением её от более высоких мест в более низкие. Чем больше разница в высотных отметках между начальным и конечным пунктами движения воды, тем больше скорость, следовательно, и разрушающая сила воды. Движущиеся массы воды захватывают продукты разрушения и уносят с собой. Размер обломков, подхваченных водой, зависит от скорости потока. Разрушительная сила текучих вод, содержащих обломки пород, во много раз возрастает. Если мелкие обломки находятся в текучей воде во взвешенном состоянии, то крупные перекатываются водой по дну водотока, шлифуя и стачивая ложе, а также друг друга. Значительная часть минерального вещества переносится в воде в растворённом виде.

Разрушение горных пород текучими (проточными) водами называется эрозией. Под водной эрозией понимают не только разрушение горных пород силой потока, но также шлифование и царапание дна русла обломками, переносимыми водой, и химическое растворение горных пород водой.

В ряде районов, особенно с засушливым климатом, встречаются сухие долины, в которых водные потоки появляются только периодически во время сильных ливней, затяжных дождей или быстрого снеготаяния. К таким долинам относятся овраги. Однако в горных местностях деятельность временных потоков проявляется иногда специфично. В горных районах уклон сухих, периодически увлажняющихся долин обычно достаточно крут, а в длинные промежутки между дождями в них накапливается большое количество продуктов выветривания, сползающих со склонов. Эти процессы особенно интенсивны в засушливом климате, так как в районах с большим количеством атмосферных осадков развивается богатая растительность, закрепляющая верхние слои грунта.

Разрушительная работа текучих вод проявляется в виде плоскостного смыва и линейного размыва.

Плоскостной смыв