- Физико-механические свойства
Лекция №2.
Физико-механические св-ва.
Эти св-ва проявляются при воздействии на них внешнего давления т.е. под влиянием различных сооружений инженерных конструкций и самих массивов г.п. Выделяются деформационные прочностные компресионые и реологические св-ва. I деформационные св-ва проявляются при воздействии на грунт докритических нагрузок, не приводящих к его разрушению и выражается показателем. 1) модуль общей деформации. Характеризует отношение напряжения при сжатии к общей деформации грунта. 
τ – напряжение, е0- общ. деф. грунта. 
[Е0] – Па, мПа кг/см2. используется при расчете деформации осадок сооружений. E0 – глины – 0,1, E0 – граниты – 16, E0 – габбро – 125. 2) модель упругости. Характеризует отношение напряжения при сжатии отношение обратимой деформации. 
е0 > еобрат. Для упруго деформируемых материй Е0=Е. величина Е для песчаников 6 – 20, граниты 17 – 50, габбро 60 – 125. 3) Коэффициент Пуассона или коэффициент поперечной деформации к относительным продольным деформациям. 
деформация иедт по двум осям x и z. Скальные и полускальные грунты имеют μ = 0,1 – 0,4.
4) коэффициент относительной сжимаемости a0. это отношение величины сжатия слоя породы высотой 1м. от приложения нагрузки r в мПа. 
. II Прочностные св-ва грунтов. Проявляются при воздействии на грунт нагрузок, равных или превышающих критические. И выражается показателями: 1) временное сопротивление грунта сжатию. Отношение нагрузки max упрочнению близкого или равного усиливанию раздавливания к площади поперечного сечения образца. 
. 2) сопротивление грунта разрыву. Выражается отношением нагрузки в условиях одноосного растяжения к площади раскалывания образца. 
. 3) сопротивление грунта сдвигу. Выражается величиной деформации нагрузки при которой происходит перемещение одной части грунта относительно другой. τпр.=r*tgγ+с – формула Кулона. τпр.– предельное сдвигающее напряжение, r – нормальное давление, tgγ – коэффициент внутреннего терния, с – константа напряжения сцепления. III Компресионые св-ва грунтов. Выражаются в деформации сжатия грунтов т.е. их уплотнении в результате чего уменьшается пористость грунта повышается плотность увеличивается сопротивляемость сдвигу. Св-ва характерны для песчаных и глинистых грунтов. IV Реологические св-ва грунтов. Отражают характер их деформации (главный вид деформации зависит от скорости и времени приложения внешних сил) при резком возрастании нагрузок возникают упругие деформации, при длительном и медленном развитии – упруго-вязкие и пластинные. Разработано несколько десятков моделей реологического состояния грунтов разного типа.
Вводно-физические и водные св-ва грунтов.
Водные св-ва это такие, которые проявляются при взаимодействии грунта с водой. 1) водонасыщаемость – отражает степнь заполнения водой порового пространства г.п. 2) влажность – это отношение массы воды находящейся в грунте к массе сухого грунта. 
. 3) водопрницаемость – это св-во грунтов пропускать сквозь себя воду, характеризуется коэффициентом фильтрации. Коэффициентом фильтрации называют скорость движения п.в. в зоны пониженной насыщенности при гидравлическом градиенте. Т.е. =1. 
Q – кол-во воды, F – площадь поперечного сечения коэффициентом фильтрации грунта, T – время, Y – напорный градиент. 4) влагоемкость – это способность грунтов поглощать и удерживать в своем объеме определенное кол-во воды. 5) водойстойчивость – способность грунтов схоронить структуру и прочность при многократном изменении режима водонасыщенности. 6) липкость – способность грунта при определенной влажности прилипать к рабочим поверхностям инструментов и механизмов. Характерно для глинистых грунтов. 7) консистенция – физическое состояние грунта при соотвествующей влажности способный к определенным видам деформации. Например для глинистых грунтов выделяется консистенция: текучая, пластическая и твердая. 8) пластичность – это способность грунта при определенной влажности изменять форму под воздействием внешних сил без разрыва оплошности и сохранять ее после прекращения действия нагрузок (глистные грунты). 9) набухаемость – способность грунта увеличиваться в объеме в результате смачивания водой. 10) усадка грунта – это уменьшение его объема в результате удаления воды или под влиянием физико-химических процессов. 11) просадка грунта – это уменьшение его объема в результате смачивания водой (лессовые грунты). 12) размокаемость – способность грунта при взаимодействии с водой терять связность превращается в рыхлую массу с потерей несущей способности. 13) размывамость – это его способность к механическим разрушениям под действием движения воды. Например суффозия. 14) Размельчаемость – снижение прочности при взаимодействии с водой с сохранением структурной связи. 15) растворимость обусловлена наличием в грунтах составных частей или компонетов способных растворяться в воде или других растворах. 16) морозоустойчивость – способность грунта сопротивляться отрицательным температурам и разрушительному воздействию замерзшей воды.
Инженерно геологические особенности г.п.
1) Магматические г.п. Относятся к твердым скальным грунтам. Их инженерно геологические св-ва изменяются широком диапазоне и зависят от минерального состава, текстуры и структуры и др. факторов. Под действием нагрузок они ведут себя как твердые упругие практически не сжимаемые тела. Имеют плотность 2,15 – 3,30. Прочность и упругость высокая, пористость не значительная, коэффициент крепости = 10 – 20. невлагоемкие, практически нерастворимые, водопроницаемы по трещинам. Коэффициент фильтрации менее 10 м/сут. В естественном залегании характерна анизотропия св-в. в откосах устойчивее, являются надежными основаниями любых инженерных сооружений. Разрабатывается взрывными способами. Ухудшение инженерно геологических св-в связано с выветриванием, трещиноватостью тектоническими нарушениями и обводненностью. Сухие грунты более прочные чем, водонасыщеные, для оценки выветренности скальных г.п. используется коэффициент степени выветривания. Квс – это отношение плотности выветривания г.п. к плотным не выветренным г.п. если Квс = 1 г.п. не выветриваются, если Квс < 0,8 г.п. сильно выветривается. 2) Метаморфические г.п. Они так же относятся к горным скальным грунтам. Их общая Инженерно геологическая характеристика близка к магматическим. Отличие заключается в резко выраженной анизотропии параметров прочности. Вдоль плоскостей генйсовидности прочности прочность метаморфических пород уменьшается до 10 раз. Кристаллические сланцы и гнейсы подвергаются более интенсивным процессам выветривания и неустойчивы в откосах при наклоном залегании. 3) Осадочные сцементированные г.п. Относятся к твердым скальным грунтам, их инженерно геологические св-ва зависят от структуры, текстуры и др. 1. обломочные г.п. а) крупнообломочные породы конгломераты и гравилаты из обломочных пород на кремнистом цементе коэффициент прочности > 10. дают устойчивые откосы. Прочность их уменьшается при наличии в составе неустойчивого известково-глинистого и др. типов цемента. б) мелкообломочные породы песчаники аркозового типа на стойком цементе имеют высокую прочность 4 – 15. песчаники на неустойчивом цементе менее прочны. в) тонкообломочные г.п. алевролиты и аргелиты. Большинство тонкообломочных пород за исключением высокопрочных алевролитов силикатно-кремнистого состава относятся ко II гр. Относительно твердых полу сухих грунтов. Имеют пористость до 15% и выше. слабовлагоемкие способны к размоканию Кф = 0,5 – 30 м/сут. Фкр = 2 – 8. устойчивость в откосах зависит от степени трещиноватости и выветренности могут давать осыпи. В естественном залегании характерна анизотропия св-в. обладают реологическими св-вами. Разрабатываются ударно инструментальным и взрывным способом. 2. Химические и биохимические органогенные породы. а) карбонатные породы известняк, доломиты. Среди инх по инженерно геологическим св-вам выделяется плотные и неплотные. Плотные карбонатные породы относятся к твердым скальным грунтам. Неплотные к относительно твердым полускользким грунтам, слабо растворимые водопроницаемость различна Фкр = 2 – 10. М.б. устойчивы в откосах. Р-ны разв. Карбонатных отложений часто закарстованы что затрудняет их хозяйственное использование. б) карбонатно-глинистые породы (мергели). Фкр = 3. с повышением влажности и пористости их прочность резко снижается в откосах не устойчивы, образуют осыпи. в) сульфатные и галоидные породы (гипс, ангидрит, галит и др.). Характеризуется слабой пористостью Фкр=2, растворим в воде. Ангидрит в присутствии воды переход в гипс, при этом увеличивается объем минеральной массы, что приводит к деформации в окружающих г.п. возможно отрицательное воздействие на инженерные сооружения. 4) Дисперсные грунты (осадочные несцементированные породы). а) грубообломочные сыпучие породы (валуны, галька, гравий, щебень и др.). Относится к рыхлым невязким породам. Их инженерно геологические характеристики зависят от минерального и гранулометрического состава уплотненности. Имеют св-ва сыпучих тел. Форму сохраняют под действием массы обломков и трения м/у ними. Деформация сжатия носят необратимый характер. Кф > 150 м/сут. Практически несжимаемые если слабосжимаемы. Главный параметр прочности-сопротивления грунта сдвигу τ = r * tgφ. Сопротивление сдвигу низкое Фкр < 2. устойчивость как в основании и в откосах зависит от интенсивности динамки воздействия и др. Разрабатывается механическими и ручными способами. б) мелкообломочные породы (пески и др.). Пористость 40 – 50 %, водопроницаемость высокая Кф до 10 – 15 м/сут. В грубозернистых песках до 250 м/сут. Деформация сжатия песка имеет неупругий характер. Дают осадку при динамических нагрузках и могут значительно уплотняться. Под влиянием гидродинамического давления переходят в плывущее состояние. Угол естественного откоса 30 – 40. под водой 24 – 300 градуса. в) глистные грунты относятся к группе мягких связанных грунтов. Их инженерно геологические св-ва изменяются в широких пределах и зависят от генетического типа, состава, влажности, консистенции, ненарушенности естественного сложения и др. факторов, пористость и влажность изменяется от 15 – 20 до 80%. Влагоемкость, нерастворимы слабоводопроницаемы. Кф < 1м/сут. В инженерно геологических структурах играют роль водоупорных горизонтов. Крепость невелика Фкр < 2. Сжимаемые и сильно сжимаемые. Обладают св-вами набухания, усадки, просадки, липкости, размокаемости, реологическими св-вами. Тиксократность – это св-ва грунта изменять состояние под влиянием мех. воздействия, глинистые грунты характеризуются пределами пластичности. Предел пластичности – назначенные значения влажности в весовых процентах при которых глинистый грунт переходит из одного состояния консистенции в другое. Выделяется верхний предел пластичности – это влажность ниже которой грунт находится в пластичном состоянии, а выше в текучем (Wb). Нижний предел пластичности Wн – это важность ниже которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое. Разность м/у верхним и нижним пределами называется число пластичности Wп. Основные параметры прочности глин грунтов является сопротивление сжатию или компрессионные характеристики и сопротивление сдвигу, они определяются в лаборатории. Наиболее прочные сухие глинистые грунты, при увлажнении они относятся к мягким пластичным и при высокой влажности переходят в текучие и плывущее состояние. Важной характеристикой глинистых грунтов является консистенция. Она отражает состояние грунта при характерной влажности. Количество оценивается показателем консистенции и вычисляется по формуле 
W – естественная влажность. По показателю консистенции и числу пластичности разрабатывают классификации, которые используются в строительных нормах и правилах для оценки их прочности и строительных качеств. Например устойчивость котлована, сопротивление нагрузке. Водопроницаемость и др устойчивость в откосах глин грунтов зависит от влажности грунта и высоты откоса. Дают оползни разрабатывают ручным и механическим методом. 5) Мерзлые грунты. Их изучает мерзлотоведение или геокриология, горные породы находятся в условиях отрицательных температур и содержат лед, в северном полушарии мерзлотные грунты образуют зоны многолетней мерзлоты. В РФ они занимают около 75% от всей территории, максимальная глубина их достигает 800м. в строении мерзлых грунтов выделяется: деятельный слой приповерхностная часть з.к. она замерзает зимой и оттаивает летом, его мощность до 5м. Глубина промерзания зависит от широты рельефа, среднегодовой температуры и т.д. Мерзлые грунты делятся на две группы: г.п. 1) породы с жесткими структурными связями с понижением температуры они сохраняют основные св-ва. 2) без жестких структурных связей при понижении температуры у них изменяются инженерно-геологические св-ва и формируются новые криогенные структуры и текстуры. Инженерно-геологические св-ва грунтов зависят от величины отрицательных температур, криогенных текстурно-структурных особенностей, льдистости и других факторов. Льдистость – отношение массы льда к массе воды, содержащейся в породе. 
W – общая влажность, Wнз – содержание незамерзшей воды. плотность мерзлых грунтов изменяется в значительных пределах и зависит от общей влажность льдистости, кол-ва и плотности исходного сухого грунта. Пористость зависит от состояния и структурной фазы льда. Сопротивление сдвигу является внешним, сдвиг в виде скалывания, резко выраженные криогенные св-ва. Широко проявляются в мерзлых грунтах геодинамические процессы, при отрицательных температурах выпучивание, при переводе к положительным температурам осадки и другие процессы они сопровождаются резкими деформациями. 6) Техногенные грунты. Это искусственные массивы г.п. возникшие в результате инженерно-строительных работ и хозяйственных работ, сохранившие первоначальное место залегания или переместившиеся на значительные расстояния, главная особенность – наличие предметов жизнедеятельности человека. Грунты делятся: 1) культурный слой – это поверхностные и приповерхностные слои земли содержащие следы и отходы жизнедеятельности человека от самых древних до современных производственных и бытовых отходов. По своему составу они простые неоднородные – это строительный мусор. Также следы их накопления мощность этого культурного слоя различна: Москва 22м. Киев 44м. современный культурный слой не может служить основой для инженерных сооружений, а древний культурный слой требует бережного обращения. На его использование в строительных целях необходимо разрешение археологов. 2) Горные массивы отвалы и терриконы, являются результатом разработки МПИ, имеют литологические очертания, крутизна склонов зависит от углов естественного откоса отсыпаемых грунтов. Высота достигает 50 – 80 до 100 метров, объем до нескольких млн м3. По составу отвалы могут быть однородные и неоднородные. Угольные отвалы и территории подвержены саморазогреву до 1000 оС. Самовозгорание сопровождается взрывами при попадании атмосферных вод. Они создают техногенные уродливые формы рельефа и подлежат рекультивации. 3) Насыпные грунты – это насыпи автомобильных и грунтовых дорог и составные части технически- сооружений – дамбы, плотины и т.п. для их создания используют материал из местных массивов или привозят. Наполнителями для насыпных грунтов так же могут служить промышленные отходы (шлак), + выработанные породы из МПИ, которые раньше шли в отвалы. 4) Намывные грунты – это искусственные локальные стройплощадки размеров несколько км2. создаются в долинах рек, крупных городов, для возведения промышленных и гражданских объектов. В качестве материала в качестве материала используются аллювиальные песчаные отложения. 5) Особые грунты – это горизонты инженерно-геологические св-ва которых искусственно улучшены разными методами. Они могут быть в естественном залегании или перемещенными.
