Механика грунтов

Содержание.

1. Происхождение  грунтов…………………………………………….……….……….. 3

2. Физические  свойства грунтов………………………….……………………....…….. 4

2.1. Характеристики плотности  грунтов и плотности их сложения…………… 4

2.2. Влажность  грунтов и характеристики пластичности  пылевато-глинистых грунтов…………………………………………………………………………...… 5

3. Классификация  грунтов…………………………………………………….…….…... 5

4. Вода в грунте, ее виды, свойства………………………………………………….…. 9

5. Основные законы  механики грунтов…………………………………….…………  12

5.1. Закон компрессии……………………………………………..…………….. 12

5.2. Закон фильтрации………………………………………………………….... 13

5.3. Закон Кулона…………………………………………………….…………... 13

6. Несущая способность грунта…………………………………………………...…… 15

7. Взаимодействие фундамента и основания…………………………………………. 17

Список использованной литературы……………………………..…………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Происхождение  грунтов

Грунты —  горные породы, являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека и используемые как основание, среда или материал для возведения сооружений. По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические. Магматические (изверженные) породы, образовавшиеся в результате застывания магмы, имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты. Осадочные породы, образовавшиеся в результате разрушения (выветривания) горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды или воздуха, могут быть скальными и нескальными. Метаморфические породы — это претерпевшие изменения под влиянием высоких температур и больших давлений магматические и осадочные породы; характеризуются они наличием жестких, преимущественно кристаллизационных связей и классифицируются как скальные грунты. Осадочные грунты по своему происхождению делятся на континентальные и морские отложения. При этом к морским относятся отложения современных и древних морей. Древние морские отложения — это мелы, песчаники, известняки, доломиты, мергели, юрские и девонские глины и др. В зависимости от возраста грунты относят к различным геологическим системам. Самыми молодыми осадочными грунтами являются отложения четвертичной системы. Более древние грунты относятся к следующим системам: неоген, палеоген, меловая, юрская, триасовая, пермская, каменноугольная, девонская, силурийская, ордовикская, кембрийская. В инженерной деятельности чаще используются четвертичные осадочные грунты, которые подразделяются на генетические типы: аллювиальные (речные отложения), озерные, озерно-аллювиальные, делювиальные (отложения дождевых и талых вод на склонах и у подножия возвышенностей), аллювиально-делювиальные, эоловые (осаждения из воздуха): эоловые пески, лессовые грунты, гляциальные (ледниковые отложения), флювиогляциальные (отложении ледниковых потоков), озерно-ледниковые, элювиальные (продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте образования), элювиально-делювиальное, пролювиальные (отложения бурных дождевых потоков в горных областях), аллювиально-пролювиальные и морские. Грунты, как правило, являются трехфазными системами и состоят из твердых частиц, поры между которыми заполнены водой и газом. Строительные свойства грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом, структурой, текстурой и состоянием в природном залегании. При изучении состава грунтов выделяют четыре основные группы образований: первичные минералы — кварц, полевые шпаты, слюды и др.; глинистые (вторичные) минералы, образовавшиеся в процессе выветривания магматических и метаморфических пород; соли — сульфаты (гипс, ангидрит и др.), карбонаты (кальцит, доломит и др.), галоиды; органические вещества. Под структурой грунта понимают размер, форму и количественное соотношение слагающих его частиц, а также характер связи между ними. Размер частиц и их количественное соотношение в грунте определяют на основе гранулометрического (зернового) анализа. Содержание каждой фракции выражается в процентах от массы высушенной пробы грунта. По характеру структурных связей выделяют грунты с жесткими (кристаллизационными) связями и грунты с водно-коллоидными связями. Кристаллизационные связи развиты в магматических, метаморфических и осадочных сцементированных породах, т.е. в скальных грунтах. Водно-коллоидные связи характерны для глинистых грунтов. Под текстурой грунтов понимают пространственное расположение элементов грунта с разным составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте (например, слоистые текстуры песчано-глинистых грунтов). Текстурные особенности грунтов определяют пути фильтрации воды, интенсивность и направление деформаций сдвига массива грунта.

2. Физические свойства грунтов

2.1. Характеристики  плотности грунтов и плотности  их сложения.

Одной из основных характеристик грунта является плотность. Для грунтов различают: плотность  частиц грунта ρs — отношение массы  сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта; плотность грунта ρ — отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему; плотность сухого грунта ρd — отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему (включая имеющиеся в этом грунте поры). Плотность грунта определяется путем отбора проб грунта ненарушенного сложения и последующего анализа в лабораторных условиях. В полевых условиях плотность грунта определяется зондированием и радиоизотопным методом, а для крупнообломочных грунтов — методом «шурфа–лунки». Плотность сложения грунта (степень уплотненности) характеризуется пористостью n или коэффициентом пористости е и плотностью сухого грунта. Плотность сложения песчаных грунтов определяется также в полевых условиях с помощью статического и динамического зондирования.

2.2. Влажность  грунтов и характеристики пластичности  пылевато-глинистых грунтов.

Влажность грунтов  определяют высушиванием пробы грунта при температуре 105°С до постоянной массы. Отношение разности масс пробы до и после высушивания к массе абсолютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое в процентах или долях единицы. Влажность песчаных грунтов (за исключением пылеватых) изменяется в небольших пределах и практически не влияет на прочностные и деформационные свойства этих грунтов.

Характеристики пластичности пылевато-глинистых грунтов —  это влажности на границах текучести  ωL и раскатывания ωp, определяемые в лабораторных условиях, а также число пластичности Ip и показатель текучести IL вычисляемые по формулам: Ip = ωL − ωp и IL = (ω − ωp)/(ωL − ωp). Характеристики ωL, ωp и Iр являются косвенными показателями состава (гранулометрического и минералогического) пылевато-глинистых грунтов. Высокие значения этих характеристик свойственны грунтам с большим содержанием глинистых частиц, а также грунтам, в минералогический состав которых входит монтмориллонит.

3. Классификация  грунтов

Грунты оснований  зданий и сооружений подразделяются на два класса: скальные (грунты с жесткими связями) и нескальные (грунты без жестких связей). В классе скальных грунтов выделяют магматические, метаморфические и осадочные породы, которые подразделяются по прочности, размягчаемости и растворимости в соответствии с табл. 1. К скальным грунтам, прочность которых в водонасыщенном состоянии менее 5 МПа (полускальные), относятся глинистые сланцы, песчаники с глинистым цементом, алевролиты, аргиллиты, мергели, мелы. При водонасыщении прочность этих грунтов может снижаться в 2-3 раза. Кроме того, в классе скальных грунтов выделяются также искусственные — закрепленные в естественном залегании трещиноватые скальные и нескальные грунты.

Таблица 1. Классификация  скальных грунтов

Грунт	Показатель
По пределу  прочности на одноосное сжатие в  водонасыщенном состоянии, МПа
Очень прочный	Rc > 120
Прочный	120 ≥ Rc > 50
Средней прочности	50 ≥ Rc > 15
Малопрочный	15 ≥ Rc > 5
Пониженной  прочности	5 ≥ Rc > 3
Низкой прочности	3 ≥ Rc ≥ 1
Весьма низкой прочности	Rc < 1
По коэффициенту размягчаемости в воде
Неразмягчаемый	Ksaf ≥ 0,75
Размягчаемый	Ksaf < 0,75
По степени  растворимости в воде (осадочные  сцементированные), г/л
Нерастворимый	Растворимость менее 0,01
Труднорастворимый	Растворимость 0,01 – 1
Среднерастворимый	Растворимость 1 – 10
Легкорастворимый	Растворимость более 10

 

Эти грунты подразделяются по способу закрепления (цементация, силикатизация, битумизация, смолизация, обжиг и др.) и по пределу прочности  на одноосное сжатие после закрепления  так же, как и скальные грунты (см. табл. 1). Нескальные грунты подразделяют на крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые, биогенные и почвы. К крупнообломочным относятся несцементированные грунты, в которых масса обломков крупнее 2 мм составляет 50 % и более. Песчаные — это грунты, содержащие менее 50 % частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (число пластичности Iр < 1 %).

Таблица 2. Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов по гранулометрическому составу.

Грунт	Размер частиц, мм	Масса частиц, % от массы воздушно-сухого грунта
Крупнообломочный: валунный (глыбовый) галечниковый (щебенистый) гравийный (дресвяный)	> 200 > 10   > 2	> 50
Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	> 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1	> 25 > 50 > 50 ≥ 75 < 75

 

Таблица 3. Подразделение крупнообломочных и песчаных грунтов по степени влажности Sr.

Грунт	Степень влажности (Sr)
Маловлажный	0 – 0,5
Влажный	0,5 – 0,8
Насыщенный  водой	0,8 – 1

 

Свойства крупнообломочного  грунта при содержании песчаного  заполнителя более 40 % и пылевато-глинистого более 30 % определяются свойствами заполнителя и могут устанавливаться по испытанию заполнителя. При меньшем содержании заполнителя свойства крупнообломочного грунта устанавливают испытанием грунта в целом. При определении свойств песчаного заполнителя учитывают следующие его характеристики — влажность, плотность, коэффициент пористости, а пылевато-глинистого заполнителя — дополнительно число пластичности и консистенцию.

Основным показателем  песчаных грунтов, определяющим их прочностные  и деформационные свойства, является плотность сложения. По плотности сложения пески подразделяются по коэффициенту пористости е, удельному сопротивлению грунта при статическом зондировании qс и условному сопротивлению грунта при динамическом зондировании qd (табл. 4). При относительном содержании органического вещества 0,03 < Iот ≤ 0,1 песчаные грунты называют грунтами с примесью органических веществ. По степени засоленности крупнообломочные и песчаные грунты подразделяют на незасоленные и засоленные. Крупнообломочные грунты относятся к засоленным, если суммарное содержание легко- и среднерастворимых солей (% от массы абсолютно сухого грунта) равно или более:

− 2 % — при  содержании песчаного заполнителя  менее 40 % или пылевато-глинистого заполнителя  менее 30 %;

− 0,5 % — при содержании песчаного заполнителя 40 % и более;

− 5 % — при  содержании пылевато-глинистого заполнителя 30 % и более.

Песчаные грунты относятся к засоленным, если суммарное  содержание указанных солей составляет 0,5 % и более.

Таблица 4. Подразделение песчаных грунтов по плотности сложения.

Песок	Подразделение по плотности сложения
	плотный	средней плотности	рыхлый
По коэффициенту пористости
Гравелистый, крупный  или средней крупности	е < 0,55	0,55 ≤ е ≤ 0,7	е > 0,7
Мелкий	е < 0,6	0,6 ≤ е ≤ 0,75	е > 0,75
Пылеватый	е < 0,6	0,6 ≤ е ≤ 0,8	е > 0,8
По удельному  сопротивлению грунта, МПа, под наконечником (конусом) зона при статическом зондировании
Крупный и средней  крупности независимо от влажности	qc > 15	15 ≥ qc ≥ 5	qc < 5
Мелкий независимо от влажности	qc > 12	12 ≥ qc ≥ 4	qc < 4
Пылеватый: маловлажный и  влажный водонасыщенный	qc > 10 qc > 7	10 ≥ qc ≥ 3 7 ≥ qc ≥ 2	qc < 5 qc < 2
По условному  динамическому сопротивлению грунта МПа, погружению зонда при динамическом зондировании
Крупный и средней  крупности независимо от влажности	qd > 12,5	12,5 ≥ qd ≥ 3,5	qd < 3,5
Мелкий: маловлажный и  влажный водонасыщенный	qd > 11 qd > 8,5	11 ≥ qd ≥ 3 8,5 ≥ qd ≥ 2	qd < 3 qd < 2
Пылеватый маловлажный  и влажный	qd > 8,8	8,5 ≥ qd ≥ 2	qd < 2

 

4.   Вода в грунте

Вода в пылевато-глинистых  грунтах в значительной степени  предопределяет свойства грунта, которые  зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Это объясняется  взаимодействием молекул воды вследствие наличия электромолекулярных сил  с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта. Твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных обычно кристаллических минералов, имеют на поверхности заряд статического электричества, чаще всего отрицательный. Молекулы же воды, являясь диполями, и ионы различных веществ противоположного заряда, растворенных в грунтовой воде, попадая в поле заряда частицы грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, адсорбированных на поверхности твердой частицы с ее наружной стороны, будет иметь заряд, аналогичный заряду поверхности твердой частицы, и, следовательно, станет воздействовать на близко расположенные другие молекулы воды. Таким образом возникают достаточно стройные цепочки молекул воды (рис.1). 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной поверхности частицы грунта (а) и график сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды (б)

1 — прочносвязанная   вода;      2 — рыхло-связанная  вода; 3 — свободная вода

Электромолекулярные удельные силы взаимодействия между  поверхностью твердой частицы и  молекулами воды у самой поверхности  достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля.   Вне пределов, ограниченных этим расстоянием, вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной (она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами). Свободной является гравитационная вода, перемещающаяся под действием силы тяжести, и капиллярная. Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной (она связана с твердыми частицами). Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц и ее часто называют пленочной. Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы взаимодействия изменяются от очень больших величин до нуля, такой слой принято условно делить на слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды. Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С. Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды (см. рис. 1, б). Так как в пределах слоя связанной воды удельные силы взаимодействия резко меняются, свойства пылевато-глинистых грунтов в значительной степени будут зависеть от толщины пленок рыхлосвязанной воды. При этом чем больше дисперсность грунта, тем в большей степени будет проявляться эта зависимость, поскольку при большей дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, т. е. суммарная площадь поверхности частиц глин и суглинков, больше, чем у песков, в тысячи раз. Кроме того, она зависит от минералогического состава глинистых частиц. Таким образом, минеральный состав и удельная площадь поверхности частиц пылевато-глинистых грунтов обусловливают их специфические свойства. Наличие между частицами пылевато-глинистого грунта связанной (пленочной) воды определяет его пластичность. При этом чем толще пленки воды, тем меньше прочность грунта, и наоборот. Изменение толщины пленок воды, окружающих частицы пылевато-глинистого грунта, приводит к изменению его состояния от почти жидкого до твердого. При малой толщине пленок воды пылевато-глинистые грунты обладают сцеплением. Поскольку сцепление в значительной степени обусловлено наличием связанной воды, такие грунты обладают присущей этой воде ползучестью. Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объема грунта, т. е. грунт набухает. Наоборот, при высыхании пылевато-глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончения пленок воды (грунт получает усадку). Когда связность грунта обусловлена наличием пленочной воды или растворимых солей, увлажнение грунта может приводить к полному его размоканию. Если пылевато-глинистый грунт содержит небольшое количество рыхлосвязанной воды и при этом все его поры заполнены водой, фильтрация ее практически невозможна. В связи с этим строители используют перемятую глину в качестве гидроизоляционного материала. Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины слоя рыхлосвязанной воды, может резко снижаться при нарушении определенного расположения молекул воды и частиц (например, при динамических воздействиях или перемятии). Со временем возможно восстановление прочности (явление тиксотропии).