- Характеристика грунтов

Тема: Характеристика грунтов. Классификация. Физико-механические свойства грунтов.

1. Характеристика грунтов.

2. Влияние состава, структуры, текстуры и состояния грунтов на их свойства.

3. Инженерно-геологическая классификация грунтов.

4. Механические свойства грунтов.

1. Характеристика грунтов.

а) Крупнообломочные и песчаные грунты характеризуются хорошей водопроницаемостью, отсутствием капиллярности. Применяют как дренирующий материал, как заполнитель в бетоне. Не обладают связностью и не набухают. Усадка, пластичность и липкость отсутствуют. Имеют высокий К_б, поэтому, если оросительные каналы проходят в таких грунтах,

Рекомендуемые материалы

обязательно предусматривают противофильтрационные устройства. Применяют гравийно-песчаную подготовку при устройстве ж/б сооружений.

б)    Песчаные пылеватые грунты в сухом состоянии также не связны. При увлажнении переходят в плывунное состояние. Как дренирующий материал мало пригодны.

в)     Супесчаные легкие грунты характеризуются относительно благоприятными свойствами при использовании в качестве материла проезжей части грунтовых дорог и в основании дорожных покрытий. Они не пластичны или мало пластичны. В сухом состоянии обладают достаточной связностью; пылеобразование не значительно, быстро просыхают, не набухают и не обладают липкостью. Эти грунты устойчивы в сухом и во влажном состоянии, т.к. сочетают положительные стороны песчаных (большое внутреннее трение и хорошую водопроницаемость) и глинистых (связность в сухом состоянии) частиц.

г)     Супесчаные пылеватые грунты характеризуются преобладанием пылеватых частиц. В сухом состоянии мало связны, сильно пылят. Довольно быстро и на большую высоту поднимают воду капилляром (до 3 м), что в ряде случаев способствует образованию пучин на дорогах. Обладают малой пластичностью и плохой водопроницаемостью. В дорожном отношении весьма не благоприятны.

д)    Суглинистые. Отличаются связностью и незначительной водопроницаемостью. Для них характерны пластичность, липкость, набухание, влагоемкость и капиллярность. Тяжелосуглинистые трудно поддаются разработке. Медленно просыхают после увлажнения.

е)     Глины. Характеризуются большой плотностью и связностью. Практически водопроницаемы и трудно поддаются разработке. Обладают большой пластичностью, липкостью и набуханием. Капиллярные свойства выражены в меньшей степени, чем в суглинистых и пылеватых грунтах. Недостаточно устойчивы под нагрузкой. При насыщении водой она ее удерживает длительное время.

Гранулометрический состав грунтов является хотя и очень важным, но не единственным признаком по которому можно судить об устойчивости грунтов под сооружениями или о применении ее как стройматериала. Для более полной и правильной оценки свойств грунтов необходимо учитывать их генезис, минералогический и химический состав, физическое состояние и другие особенности.

2. Влияние состава, структуры, текстуры и состояния грунтов на их свойства.

При визуальном осмотре, а особенно при разработке грунтов очень часто можно обнаружить, что они распадаются на разные по форме и величине отдельности, называемые структурными агрегатами. Понятие о структуре и структурных связях существенно дополняет представление о грунтах, как дисперсных системах.

Под термином «структура грунта » Е.М. Сергеев предлагает понимать размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих грунт элементов (отдельных частиц и агрегатов цемента). Пространственное расположение элементов, слагающих грунт, независимо от их размера принято называть текстурой грунта.

Применительно к грунта в понятие «структура» включен еще и такой фактор, определяющий свойства грунтов, как способ взаимосвязи элементов, слагающих грунт, или так называемые структурные связи.

По современным представлениям структурные связи в грунтах имеют преимущественно электрическую природу. Они формируются в течение всего периода образования грунта и последующего периода его существования в земной коре. Те связи, которые формируются при формировании самого грунта, называются первичными. В магматических породах они возникают в результате остывания магмы, в метаморфических - перекристаллизации исходных пород, в осадочных - в результате процессов диагенеза осадков.

По прочности структурные связи могут быть самыми различными: от очень прочных, соизмеримых по прочности с ионными и ковалентными связями (в минералах), до очень слабых, существование которых почти не влияет на свойства грунтов.

В магматических, большей части метаморфических и части осадочных горных пород имеет место химическая связь. Она является наиболее прочным типом структурной связи. В основе ее лежат электрические силы взаимодействия между атомами. Химические структурные связи могу быть кристаллизационными и твердыми аморфными. Кристаллизационные связи являются наиболее прочными. Грунты с химическими структурными связями отличаются высокой прочностью, слабой сжимаемостью и упругостью в определенном диапазоне нагрузок. При больших определенных для каждого грунта нагрузках грунты разрушаются и химические связи в них не восстанавливаются.

В грунтах тонкодисперсных осадочного происхождения (глинистых и пылеватых) проявляется молекулярная и молекулярно-ионно- электростатическая связь. Молекулярная связь существует между твердыми телами, молекулами атомами и ионами, т.е. является универсальной. Она значительно слабее химической, но проявляется при значительно большем расстоянии между частицами. Количество молекулярных взаимодействий возрастает с увеличением в грунте отдельных поверхностей, т.е. степени дисперсности. Лучше всего молекулярная связь проявляется в высушенных глинистых грунтах.

При увлажнении глинистых грунтов вокруг частиц и между частицами образуется гидратная оболочка и диффузный слой ионов. Вследствие этого между дисперсными частицами проявляются с одной стороны, молекулярные силы притяжения, а с другой - ионно- электростатические силы отталкивания. Результирующая этих сил и будет определять прочность структурных связей в дисперсных грунтах. Такие структурные связи называют молекулярно-ионно-статическими, или водноколлоидные. Водноколлоидные связи характерны для глинистых грунтов. Прочность этих связей уменьшается с увеличением влажности грунта. Водноколлоидные связи менее прочные в сравнении с кристаллизационными и твердыми аморфными.

В одних и тех же грунтах может быть один тип связей, а может быть два и более (смешанные связи). Разделение грунтов по структурным связям не всегда можно четко провести: ряд грунтов, имея смешанный состав, обладают и некоторыми промежуточными свойствами. Например, такие породы как суглинки, лесс и др. имеют смешанные связи.

Прочность связей в одних грунтах во всех направлениях одинакова (изотропные грунты), а в других она изменяется по отдельным направлениям (анизотропные грунты).

Структура грунтов кристаллизационными связями при одинаковом минеральном составе определяет степень устойчивости их при выветривании; мелкокристаллические грунты разрушаются в меньшей степени, чем крупнокристаллические. Осадочные крупнообломочные грунты на сжатие более прочны, чем мелкозернистые.

Применительно к пылеватым (лессы) и глинистым грунтам в грунтоведении структура породы делится на макро-, мезо- и микроструктуру. Макроструктур характеризует особенности структуры грунта по структурным элементам, видимым невооруженным глазом (зернам, чешуйкам). Размер структурных элементов может изменяться от метра и более до долей сантиметра. Мезоструктура определяется структурными элементами от нескольких мм до тысячных его долей. Она может изучаться или с помощью лупы или под микроскопом с увеличением до 500 - 600 раз. Микроструктура характеризуется элементарными частицами размером менее 1-5 микронов. Поэтому она изучается с помощью электронного микроскопа при увеличении в несколько тысяч раз.

Текстура грунтов характеризует пространственное расположение элементов-частиц, кристаллов, цемента, и плотность их сложения. Текстура грунтов оказывает большое влияние на их свойства. Наиболее прочные грунты обычно имеют плотную массивную текстуру (большая часть магматических горных пород, некоторые метаморфические и осадочные горные породы). Пористые грунты обычно наименее прочны.

3. Инженерно-геологи ческая классификация грунтов.

Общепринятым признаком подразделения горных пород является характер внутренних связей между частицами в породах. По классификации Н.Н. Маслова, отчасти сходной с классификациями Ф.П. Саваренского и В.А. Приклонского выделяют 4 класса пород:

1.     Породы с превалирующей ролью жестких структурных

связей - скальные (жестки) породы (магматические и метаморфические) и осадочные (сцементированные и отвердевшие).

2. Глинистые породы с внутренними связями, главным образом молекулярного, ионно-электростатического и капиллярного характера - аргиллиты, алевриты, мергелистые и оконовидные глины, суглинки и супеси.

3. Породы без внутренних связей - рыхлые, обломочные и песчаные породы.

4. Породы, отличающиеся по своим связям особыми свойствами - особые породы. Каждый из первых трех классов пород делится на 2 категории: 1) водостойкие, 2) водонестойкие. Водостойкость скальных и сыпучих пород определяется их стойкостью против растворения (выщелачивания), степень гидростойкости глинистых пород той или иной способностью размягчаться в воде. Дальнейшее деление категорий пород сделано по их происхождению и другим признакам. Породы первого класса характеризуются высокой механической прочностью, практически несжимаемы, водопроницаемы по трещинам, невлагоемкие, держат вертикальные откосы. Второй класс - глинистым породам свойственна слабая водопроницаемость, влагоемкость, сжимаемость под нагрузкой, причем сжатие нередко происходи в течение длительного периода. Прочность повышается с увеличением влажности. В сухом состоянии могут держать вертикальные откосы. Породы 3 класса хорошо водопроницаемые, невлагоемкие, несжимаемые, за исключением слабоуплотненных разностей, причем сжатие под нагрузкой происходит быстро. Угол устойчивого откоса, зависящий от сил трения, обычно равен 30° - 40°. Форма откоса прямолинейная.

5. К особым породам отнесены торф, почвы, многолетне- мерзлые породы, «культурные» отложения, илы, плывуны, пески и др. При использовании этих пород в качестве оснований в каждом отдельном случае требуется особый подход. Особенности плывунов мы будем рассматривать отдельным вопросом на следующих уроках.

4. Механические свойства грунтов.

Под действием внешних сил (давление от веса сооружений и т.п.) в рыхлых нескальных горных породах возникают как общие деформации, присущие всем сплошным телам, так и деформации, обусловленные перемещением минеральных частичек, слагающих эти породы. Если под действием внешних сил структурное сцепление между минеральными частицами не будет разрушено, то грунты будут деформироваться как сплошные тела, минеральные частицы будут только сближаться, уплотняться без взаимного перемещения, что обусловит изменение объема грунта, поэтому эти деформации называют объемными. Если же структурное сцепление будет разрушено, то деформации в грунтах будут определяться перемещением отдельных минеральных частиц или агрегатов. Такие деформации называют сдвигом. Отсюда механические свойства рыхлых горных пород при воздействии на них внешних воздействий характеризуются показателями сопротивления их сжатию и сдвигу, которые являются основными количественными показателями при оценке сжимаемости, прочности к устойчивости пород в основании сооружений, в откосах выемок и других сооружениях.

Сопротивление грунтов к сжатию.

Сжимаемость - способность грунтов уменьшаться в объеме.

При одноосном сжатии скальных грунтов возникают как упругие деформации, которые восстанавливаются после окончания сжатия, так и остаточные деформации из-за наличия в грунтах не очень плотного примыкания частиц друг к другу и микротрещин.

Сжатие песков происходит быстро и мало связано с их влажностью. В отличии от песков сжимаемость глинистых пород зависит от их влажности, минералогического состава, характера структурных связей между частицами грунта и др. факторов. Неравномерная сжимаемость глинистых пород может быть причиной их неравномерной осадки и деформации.

Сжимаемость мягкого связного или рыхлого несвязного грунта можно охарактеризовать зависимостью коэффициента пористости от давления при сжатии образца в компрессионных приборах - компрессионной кривой и двумя показателями: коэффициентом уплотнения (а) и модулем осадки (/). Компрессионные кривые носят характер логарифмической зависимости коэффициента пористости Е от нагрузки Р. С увеличением давления грунт сжимается и коэффициент пористости уменьшается (ветвь нагрузки).  При снятии нагрузки некоторые грунты частично (при упругой деформации) восстанавливают свою пористость. Поэтому кривая разгрузки, располагаясь ниже кривой нагрузки, поднимается по оси ординат при нагрузках от максимальной до нулевой. В качестве рассчитанных показателей при проектировании сооружений используется коэффициент уплотнения (а) и модуль осадки ().

Коэффициент уплотнения представляет собой отношение уменьшения коэффициента пористости к величине повышения давления а =. Он определяется на компрессионной кривой для определенного интервала давлений (в см ²/кгс).

а = .

Модулем сжатия называется величина, обратная коэффициенту уплотнения.

E = .

Модулем осадки  показывает величину сжатия грунта (мм) приходящуюся на 1м толщи грунта при определенной нагрузке Р (кгс/см²).

Если  = 25 мм/м, то это значит, что метровый слой грунта при давлении Р = 2 кгс/см сжимается на 25 мм.

Зная мощность грунта в активной зоне h можно определить сжатие всего слоя в см .

h =

Задача

Определить модуль сжатия грунта Е, если нагрузка изменилась в пределах от Р₁ = 2 кгс/см² до Р₂ = 6 кгс/см². Результаты компрессионных испытаний см (рис. 1)

Решение:

а =  (значит грунт среднесжимаем).

Е =

При значительных нагрузках (20 – 30 кгс/см²) частицы могут раскалываться, в результате чего образуется более мелкозернистый грунт.

Сопротивление грунтов сдвигу.

Сопротивление грунтов сдвигающим нагрузкам зависит в общем случае от сцепления и трения. Сцепление проявляется в основном в грунтах связных. В скальных грунтах сцепление наибольшее и обусловлено химическими связями. В мягких связных грунтах (глина, суглинок, лесс, супесь) связность обусловлена цементирующим, склеивающим действием коллоидов и молекулярным сцеплением при непосредственном контакте частиц. Сопротивление сдвигу в этих грунтах оказывают в начале силы сцепления, а затем при сдвигающих нагрузках, их превышающих, силы трения между частицами. В рыхлых несвязных грунтах сопротивление сдвигающим усилиям оказывают только силы трения.

Для рыхлых грунтов на графике получается прямая, проходящая через начало координат. T = P*f=Ptg

Т - сопротивление сдвигу, кгс/см²;

Р - нормальная нагрузка, кгс/см²;

f - коэффициент внутреннего трения;

- угол внутреннего трения.

Для связных грунтов сопротивление их сдвигу выражается следующей зависимостью:

T = P*f+C

С - сцепление грунта, а остальные аналогичны таковым в предыдущей формуле.

1. Назовите характеристики грунтов.

"Индивидуальное и историческое развитие" - тут тоже много полезного для Вас.

2. В чем заключается разница в структуре грунта и текстуре?

3. Что понимают под структурными связями?

4. Дать инженерно-геологическую классификацию грунтов.

5. Что понимают под сжимаемостью грунта?

6. Что понимают под модулем сжатия грунта?

7. От чего зависит сопротивление грунтов сжимающим нагрузкам?