Механника грунтов

1. Грунты - это любые горные породы, которые используются при строительстве самых различных сооружений

 

Грунты могут быть основанием, когда на них возводится фундамент, средой - когда в грунтах прокладываются туннели, подземные ходы, катакомбы и прочие подземные сооружения. Грунты также могут быть и материалом, когда используются для устройства насыпей, подсыпок, плотин и т.п.

Сейчас различают три основные группы горных пород, образовавшихся под воздействием различных природных и временных факторов:

1. Магматические породы

К ним относятся граниты, диориты, сиениты, порфиры и т.п. Магматические породы сформировались при застывании извергнувшейся из недр земли магмы. Эти породы как правило имеют очень плотную структуру и потому рассматриваются как твердые тела с высокой прочностью.

осадочные и метаморфические.

2. Осадочные породы

Образовались при разрушении магматических горных пород посредством переноса и отложения (оседания) продуктов разрушения. К осадочным породам относятся обломочные (сцементированные и несцементированные), глинистые, химические и биохимические породы.

3. Метаморфические породы

Образовались в процессе значительных изменений магматических и осадочных горных пород под действием различных факторов: давления, высокой температуры, химически активных газов магмы. К метаморфическим породам относятся мраморы, сланцы, гнейсы, кварциты, и др.

При возведении домов строители чаще всего сталкиваются с наиболее молодыми осадочными породами, относящимися к четвертичному периоду. Горные породы третичного, юрского и других периодов находятся ниже, сформировались раньше и имеют, как правило, большую прочность и малую сжимаемость в результате длительного воздействия расположенных сверху более молодых осадочных пород четвертичного периода. Такие более древние породы иногда называют коренными породами.

Среди пород четвертичного периода наибольшее распространение, а потому и наибольшую важность при изучении свойств имеют

1. Глинистые грунты

Глины, суглинки, супеси, относящиеся к глинистым грунтам (породам) имеют достаточно сложную структуру. Они сформированы из очень мелких частиц, включающих так называемые вторичные минералы. Вторичные минералы образовались из первичных минералов в процессе механического разрушения, выветривания, переноса ветром или водой и при последующем отложении на дне океанов, морей, рек и других водоемов. Оставшиеся на месте продукты выветривания называют элювиальными отложениями, а перемещенные ветром, дождем и снегом с возвышенностей к их подножью — делювиальными отложениями.

2. Песчаные грунты

Гравий, галечники и песок также являются продуктами выветривания, но от глинистых грунтов отличаются более крупными размерами частиц.

Отложения песчаных и глинистых грунтов в речных долинах называют аллювиальными отложениями. Продукты выветривания также отлагались при движении ледников - моренные ледниковые отложения.

Механика грунтов основное внимание уделяет изучению так называемых «рыхлых» пород. Под рыхлыми породами подразумеваются перечисленные выше образования, сформированные из отдельных минеральных частиц, слабо связанных друг с другом или не связанных совсем. Поры между частицами грунта могут быть заполнены водой и(или) газами - атмосферным воздухом, водяным паром, химическими или биохимическими газами.

Таким образом, грунты рассматриваются не как некий однородный (изотропный) материал, а как сложные многофазные дисперсные системы, физические и механические свойства которых зависят от количественного соотношения и свойств твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от структуры и текстуры.

Структура грунта

описывается формой, размерами, состоянием поверхности минеральных частиц, а также их взаимным расположением и характером связей между частицами. В зависимости от наличия или отсутствия связей между частицами грунты разделяют на связные (глинистые) и сыпучие несвязные (песчаные) грунты. Песчаные и крупнообломочные (галечные, гравийные) грунты характеризуются раздельно-зернистой структурой. Мельчайшие частицы глинистых грунтов могут иметь форму игл или пластинок, при этом образуют ячеистую, ячеисто-хлопьевидную или каркасную структуру.

Лёссы и лёссовидные грунты имеют особую структуру. В таких грунтах очень много пор, при этом размеры пор больше размеров слагающих минеральных частиц, поэтому такие поры называются макропорами. Структурные связи между частицами лёссовых грунтов, образованные углекислыми солями магния и кальция, сравнительно легко растворяются в воде.

Текстура грунта

это совокупность признаков, характеризующих сложение грунта в массиве, например, грунт может иметь слоистую текстуру.

2. Состав грунтов

Грунты состоят из минеральных частиц различных размеров, при этом группы частиц, близких по размеру, называются фракциями. В строительной классификации принято различать шесть основных фракций:

Наименование фракций  Размеры частиц в мм

Камни-валуны  > 100

Галечниковая  100 - 10

Гравийная  > 2

Песчаная  2 - 0.05

Пылеватая  0.002 - 0.005

Глинистая  0< 0.002

Весовое содержание различных фракций, выражаемое в процентах, называется гранулометрическим составом грунта. Гранулометрический состав приводится либо в виде таблицы, либо в графическом виде:

график кривой неоднородности гранулометрического состава

Рис. 206.1. Кривая неоднородности

Крупнообломочные частицы (> 2 мм) имеют такой же минералогический состав, как и скальные породы, из которых они образовались. Крупнообломочные частицы могут иметь угловатую (щебень, камень, дресва) или окатанную форму (галька, валун, гравий). Песчаная фракция (2-0.1 мм) состоит в основном из частиц (зерен) кварца, слюды, полевого шпата, реже кальцита (ракушечниковые пески). Окатанные зерна характерны для морских, речных и эоловых песков; угловатые зерна - для отложений временных потоков (горные пески). Пылеватая фракция (0.1-0.005) формируется из зерен сильно измельченного кварца, аморфной кремневой кислоты или других первичных минералов (слюда, полевой шпат и т. п.). Пылеватые частицы могут впитывать (адсорбировать) воду и легко вымываются. Глинистая фракция включает мельчайшие (от 5 до 0,001 мк) частицы вторичных минералов игольчатой или чешуйчатой формы. Глинистая фракция - наиболее активная и ее количественное содержание обуславливает основные свойства грунта.

3. Физические характеристики  грунтов

Строительные свойства грунтов прямо зависят от гранулометрического состава, а также свойств фазовых состояний (твердого, жидкого и газообразного) и количественного соотношения между фазами. Для описания физического состояния грунта и фазового состава используют характеристики, полученные в процессе простейших испытаний (табл. 1):

Таблица 1. Характеристики фазового состава и физического состояния грунтов

физические характеристики грунтов

4. Строительная классификация  грунтов

В строительстве чаще всего приходится иметь дело с четырьмя основными группами грунтов: скальными, крупнообломочными (несцементированными), песчаными и глинистыми.

Скальные грунты

К скальным грунтам относятся магматические, осадочные и метаморфические горные породы, имеющие жесткую связь между зернами (спаянные или сцементированные). Скальные грунты залегают сплошным слоем или в виде отдельных образований, подобных сухой кладке. Граниты, базальты, диориты, известняки, песчаники - это скальные грунты. К полускальным грунтам относятся грунты, в водонасыщенном состоянии имеющие предел прочности на сжатие менее 50 кг/см2 (мергели, окремненные глины и т. п.), или размягчаемые и растворимые водой (гипс, гипсовые песчаники).

Крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты являются дисперсными системами и относятся к нескальным грунтам. Различаются нескальные грунты по содержанию фракций (количеству частиц различного размера).

Крупнообломочные грунты

Несцементированные грунты, которые содержат > 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц > 2 мм.

Песчаные грунты

Несвязные, сыпучие в сухом состоянии грунты, которые не обладают свойством пластичности и содержат < 50% по массе частиц размерами > 2 мм.

В строительстве крупнообломочные и песчаные грунты классифицируют по гранулометрическому составу (табл. 2): 

 ГРУНТЫ Распределение частиц грунта по круп­ности от массы сухого грунта

Крупнообломочные

Щебенистые (при преобладании окатанных частиц - галечниковые)  > 50% частиц по массе размерами > 10 мм

Дресвяные (при преобладании окатанных частиц - гравийные)  > 50% частиц по массе размерами > 4 мм

Песчаные

Гравелистый песок  > 25% частиц по массе размерами > 2 мм

Крупный песок  > 50% частиц по массе размерами > 0.5 мм

Песок средней крупности  > 50% частиц по массе размерами > 0.25 мм

Мелкий песок  > 75% частиц по массе размерами > 0.1 мм

Пылеватый песок  > 75% частиц по массе размерами < 0.1 мм

Примечание. Чтобы определить наименование грунта, последовательно суммируются процентные содержания частиц. Сначала рассматривается процентное содержание частиц исследуемого грунта размером > 10 мм, затем к нему добавляется процентное содержание частиц размером > 2 мм, затем > 0,5 мм и т. д. Наименование грунта принимается при достижении первого удовлетворяющего показателя согласно порядку наименований в таблице.

Если степень неоднородности песчаного грунта k60/10 > 3, то гравелистые, крупные и средней крупности пески дополнительно определяются термином «неоднородный». Неоднородность песчаных грунтов измеряется отношением

k60/10 = d60/d10      где d60 - диаметр, меньше которого в исследуемом грунте содержится (по массе) около 60% частиц; d10 - диаметр, меньше которого в исследуемом грунте содержится (по массе) около 10% частиц.

Глинистые грунты

Связные грунты, свойства которых зависят от степени насыщения водой. Глинистые грунты могут рассматриваться как твердое тело, пластичное тело или вязкая жидкость. Илами называются глинистые грунты, сформировавшиеся при наличии микробиологических процессов, как структурный водный осадок, и имеющие влажность в природном сложении, превышающую влажность на границе текучести, и коэффициент пористости ε > 1,0 (для супесей и суглинков) и ε > 1,5 (для глин).

Как правило глинистые грунты классифицируются по числу пластичности:

Супесь:       1 ≤ Wп ≤ 7       Суглинок: 7 < Wп ≤ 17           Глина:            Wп > 17

Реже глинистые грунты классифицируются по гранулометрическому составу:

Наименование грунта  Содержание по массе частиц размером менее 0,005 мм, %

Супесь  3 - 10

Суглинок  10 - 30

Глина  > 30

Среди глинистых грунтов следует отдельно выделить просадочные грунты и грунты, набухающие при замачивании грунты. К просадочным относят грунты, со степенью влажности G ≤ 0,6 и значением

(εо - εт)/(1 + εо) ≥ - 0.1

где εо - коэффициент пористости для образца исследуемого грунта естественного сложения и влажности; εт — коэффициент пористости для того же образца грунта при соответствующей влажности на границе текучести.

К набухающим относят грунты, имеющие значение

(εо - εт)/(1 + εо) ≤ - 0.3

Данные исследования песчаных и глинистых грунтов должны также включать сведения о наличии биологических остатков (торфа, перегноя и др.), если в образцах исследуемых грунтов, высушенных при t = 100-105°С, содержатся биологические остатки  - более 3% по массе от минеральной части для песчаных грунтов, и менее 5% — для глинистых грунтов. В зависимости от содержания биологических остатков грунты дополнительно определяются как:

грунты с примесью органических веществ - при содержании биологических остатков < 10%;

заторфованные грунты - при содержании биологических остатков в пределах 10—60%;

торфы - при содержании биологических остатков более 60%.

5. Характеристики состояния  грунтов

Состояние (консистенцию) непросадочных глинистых грунтов определяют по коэффициенту консистенции В:

В = (W - Wp)/(Wт - Wp)    где W — естественная влажность, выражается в %; Wp — влажность на границе раскатывания в %; Wт — влажность на границе текучести в %

Влажность грунта, при которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное (или наоборот) называется пределом раскатывания. Влажность грунта, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние называется пределом текучести. Далее приведены значения коэффициента консистенции В для различных грунтов:

 

 

Супеси

Твердые:  В < 0

Пластичные:  0 ≤ B ≤ 1

Текучие:  В > 1

Суглинки и глины

Твердые: В < 0

Полутвердые: 0 ≤ В ≤ 0,25

Тугопластичные: 0,25 < B ≤ 0,5

Мягкопластичные: 0,5 < B ≤ 0,75

Текучепластичные:0,75 < B ≤ 1

Текучие: >1

Состояние глинистых грунтов в условиях природного залегания также зависит от структуры грунта. Однако при определении характерных влажностей посредством существующих в настоящее время лабораторных методов нарушение природной структурной связности грунта неизбежно, а это может привести к значительному искажению полученных данных. В таких случаях следует провести дополнительные исследования с целью количественной оценки прочности и природных структурных связей для внесения необходимых поправок в результаты испытаний.

По плотности сложения песчаные грунты разделяются на плотные, средней плотности и рыхлые в зависимости от величины коэффициентов пористости ε, приведенных в таблице 3

 Грунты  Плотные  Средней плотности  Рыхлые

Пески гравелистые, крупные и средней крупности  < 0.55  0.55 - 0.70  > 0.70

Пески мелкие  < 0.60  0.60 -0.75  > 0.75

Пески пылеватые  <0.60  0.60 -0.80  > 0.80

Плотность песчаных грунтов рекомендуется определять по образцам, отобранным без нарушения естественного сложения грунта или с помощью зондирования.

6. Перемещение воды в  порах грунта

Движение воды сквозь поры грунта, происходящее под влиянием разности напоров, называется фильтрацией. Если скорость движения воды не превышает некоторого критического для исследуемого грунта значения («критическая скорость»), что обычно имеет место в природных условиях, то скорость фильтрации v согласно закону Дарси:    

v = kф(H1 - H2)/L = kфi    где L - расстояние между двумя точками на пути фильтрации, напоры в которых соответственно равны Н1 и Н2; i - гидравлический градиент; kф — коэффициент фильтрации.

Коэффициент фильтрации - это количественная характеристика степени водопроницаемости грунта, выражающая скорость фильтрации при гидравлическом градиенте i =1. При наличии в грунте связанной воды явление фильтрации возникает только тогда, когда градиент i превышает некоторое значение начального градиента iн.

Скорость фильтрации равна               v = kф(i — iн)

Коэффициент фильтрации может быть определен:

- расчетом по формулам  в зависимости от гранулометрического  состава грунта. Это метод применим  для однородных песков средней  крупности;