Лекция 3. Характеристики физических свойств грунтов.

Лекция 3
Характеристики физических свойств грунтов
Строительные свойства грунтов определяются рядом его характеристик.
Изобразим схему 1 см3 грунта (3х фазная система).
m1 – масса твердых частиц грунта
V1 – объем твердых частиц грунта
m2 – масса воды в порах (массу
m2 (V2)
воздуха не учитываем)
V2 – объем пустот (заполненных
m1 (V1)
водой и воздухом)
Н2О
Iая группа характеристик (определяемая опытным путем)
1 Удельный вес грунта ненаршенной (естественной) структуры
g=
G1 + G2
V1 + V2
(кН/м3); [15…22 кН/м3]
2 Удельный вес твердых частиц грунта
G1
gs = = V1 (кН/м3); [25…28 кН/м3];
3 Весовая влажность грунта
W=
G2
% (изменяется в широких
G1
пределах и особенно важна для глинистых грунтов);
IIая группа характеристик (определяемая расчетами)
1 Удельный вес сухого грунта
G1
gd = V + V (кН/м3);
1
2
gd
[10…19 кН/м3]
g
=
1+W
(1)
8
2 Пористость грунта
n=
объем
весь
пор
объем
=
Если обозначить:
V2
·100%
V1 + V 2
n – объем пор в единице
объема грунта;
m- объем твердых частиц в
единице объема грунта
m+n=1
3 Коэффициент пористости грунта
e=
Для слабых грунтов может быть и
больше (до 12 – в торфах)
m=
rc
rs
тогда
e=
1- m
=
m
1-
rc
rs
rc
rs
=
rs - rc
rc
(3)
е
n = 1+ е
(3)
e=
n
m
e=
(0,5…1)
r s - rc
rc
n
n
=
m 1- n ;
(2)
(4)
Характеристики физического состояния грунтов
1. Коэффициент водонасыщения грунта (степень влажности)
природная влажность
G= =
влажн. при полном заполнении пор водой
W
=
Wo( полная влагоемкость)
W0 –влажность, при которой все поры заполнены водой
n × rw e × rw
масса воды в об. пор m 2
=
=
Wo=
=
m1 m × r s
масса тв. частиц
rs
9
W0 =
e × rw
r s (5)
W0 =
e
rs
e = W0 × rs
(6)
G=
W × rs
e × rw
(7)
0£G£1
Для песчаных грунтов
2 фазная система
G £ 0,5 – маловлажные
х
0,5 < G £ 0,8 – влажные
3 фазная система
0,8 < G £ 1 – насыщенные
Если грунт находится в природном состоянии ниже уровня грунтовых вод,
то на него будет действовать взвешивающее действие воды (Н2О).
У.г.в.
Взвешивающие действия будут испытывать частицы грунта
У.г.в.
(gs - gw) – вес твердых частиц
при G = 0
G= 1
0£G£1
х
Резервуары
для топлива
gовзв = (gs - gw)(n – 1)
Выталкивающая сила (по закону
Архимеда)
gовзв =
gs - gw
1+ e
(8)
Удельный вес
воды
2. Плотность
Для песчаных грунтов плотность имеет первостепенное значение
при оценке их свойств как оснований для сооружения.
Н2О
Н2О
Отложение песка в Н2О, грунт находится в
рыхлом состоянии.
Нормы запрещают строить сооружения на рыхлом грунт, Он может воспринимать статическую нагрузку, но обычно неоднороден и при динамических нагрузках и водонасыщении переходит в суспензию (плывунное состояние).
10
Дамба на
р. Свирь
1920 г.
гвоздь
Рыхлый
песок
Динамическое
воздействие
4о
Минеральные
частицы
Движение
Н2О
Рыхлый песок
n = 42%
Плотный песок
n = 23%
уменьшение до 1/5 объема
Если Н = 10м, то возможная
осадка составит S » 2м
Значение плотности песка в практике строительства
Пойменная терраса
95% населения
Асуанская плотина
Нил
Как определить состояние грунта по плотности сложения?
e max - e
D = e max - e min
(9 Коэффициент относительной плотности
) (индекс плотности)
emax – коэффициент пористости грунта в max рыхлом его состоянии
emin – коэффициент пористости грунтов в min рыхлом его состоянии
e – коэффициент пористости грунтов в естественном состоянии
Если
0 £ D £ 1/3 – рыхлое состояние
R » 0 (строить нельзя)
1/3 £ D < 2/3 – средняя плотность
R » 0,25 МПа
2/3 < D £ 1 – плотное состояние
R » 0,5 МПа
В полевых условиях плотность грунтов часто определяют методом зондирования (пенетрации).
11
3. Критерием физического состояния глинистых грунтов является JL:
Jp = WL - Wp
число пластичности - Jp
показатель текучести – JL
(10)
JL = (W - Wp )/(WL - Wp)
(11)
WL - граница текучести соответствует такой влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние.
Текучие
состояние
Wp - граница раскатывания соответствует такой влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твердое состояние.
W
WL
JL
Твердое
Пластичное
состояние
состояние
текучепластичное
Wp
Для
супеси
мягкопластичное
тугопластичное
полутвердое
По величине e и JL в СНиП приТекуч. водятся величины
расчетного сопротивления грунсост.
тов, т.е. оценивается их прочност1
ные свойства, необходимые для воз0,75
ведения сооружения.
0,5
0,25
0
Тверд.
сост.
Для
суглинков, глин
Практическое применение:
От JL - зависит расчетное сопротивление грунта нагрузкам R
JL < 0
0 < JL < 1
JL > 1
R » 4 кг/см2 = 0,4 МПа
R » 0,2 МПа
R » 0 (строить практически невозможно)
12
4. Виды воды в грунтах
- диполь – молекула воды Н2О
Минеральная частица
Электромолекулярные
силы притяжения
< 0,5 мк
r (расстояние от
поверхности минеральной частицы)
1
2
3
Неуравновешенный заряд
по поверхнос
Прочно
связанная
вода
Рыхло
связанная
вода
Свободная вода
(гравитационная)
1. Молекулярно-связная:
а - пленки прочносвязанной воды (гигроскопической, адсорбированной)
n·100 МПа – электромолекулярные силы притяжения, удалить эту воду
практически невозможно, замерзает при tº < -70º .
б - слои (пленки) рыхлосвязанной воды (лисорбированной)
n· МПа – электромолекулярная сила притяжения, удаляется только при tº =
105º, замерзает при tº -1º …- 3º C.
2. Гравитационная:
а - капиллярная вода;
б – свободная вода.
3. Водяной пар.
4. Лёд.
Чем меньше размер частицы, тем удельная поверхность больше и больше
связанной воды в грунтах.
5. Механические свойства молекулярно-связной воды
Вязкость. Молекулярно-связная вода является вязкой жидкостью и создает
сцепление в глинистом грунте. Чем тоньше пленка, тем больше вязкость и сцепление. С увеличением влажности сцепление уменьшается.
13
Липкость – способность влажного глинистого грунта прилипать к предметам. Она зависит от грансостава, химико-минералогического состава и силы придавливания между частицами. Определяется с помощью прибора В.В.Охотина в
виде диска с центральной штангой для подъема и выражается в Н/м2.
Усадка – уменьшение в объеме глинистого грунта при высыхании.
Набухаемость – увеличение в объеме глинистых грунтов при увлажнении
за счет расклинивания слабо сжатых частиц с утолщением водных пленок.
Расклинивающий эффект пленочной воды. При уменьшении прижимных
усилий между частицами за счет равнодействующей сил притяжения к частицам
молекулы воды затягиваются между ними. Поскольку пленочная вода обладает
вязкостью, этот процесс протекает медленно. При откопке котлованов в глинистых грунтах обычно последний слой 10-20 см снимают непосредственно перед
устройством фундаментов. Это особенно важно при откопке глубоких котлованов. При двойной толщине пленок, т.е. 2х(0,25 – 0,5) микрон, вода становится
свободной и достигается предел текучести.
Водонепроницаемость (слабая водопроницаемость) тоже объясняется наличием пленочной воды и её склеивающим эффектом за счет сил связности. Для
сдвига пленочной воды относительно частицы грунта требуется усилие, которое
сопоставимо с требуемым для среза свинца. Лишь при большом градиенте напора
можно расклинить глинистые частицы и вода будет фильтровать.
Тиксотропность – свойство грунта разжижаться при сотрясениях, которым
обладают пластичные глинистые грунты при влажности более предела раскатывания. С приближением к пределу текучести это свойство проявляется более ярко.
Обусловлена тиксотропность отрывом пленочной воды от частиц и переходом в
свободную за счет динамических воздействий. При прекращении сотрясений восстанавливаются связи пленочной воды с частицами грунта.
Это свойство проявляется при забивке свай и работе механизмов при отрывке котлованов, а также при виброуплотнении бетонируемых фундаментов.
Температура замерзания пленочной воды – 78о С. В этой связи у глинистого грунта замерзает лишь часть воды и он в мерзлом состоянии находится в
вязком состоянии. При переходе части воды в твердое состояние (лёд) освобождается часть поверхностных сил натяжения, появляется поверхностный потенциал, который может подтянуть некоторый объем воды, что способствует пучению
глинистого грунта, т.е. увеличению его в объеме.
Гравитационная капиллярная вода по существу находится в растянутом
состоянии. Ее подъем обусловлен наличием поверхностного натяжения пленочной воды на разделе фаз (жидкой с газообразной, жидкой и твердой). Это явление
молекулярная физика и коллоидная химия объясняют также электромолекулярными силами, образуемыми за счет гидратации ионов на разделе фаз.
Из физики известен опыт с погружением трубки малого диаметра в емкости
с водой. В этой трубке уровень воды выше чем в емкости и образует вогнутый
мениск, который как бы прикреплен к стенкам трубки и поднимает воду вверх.
При этом форма трубки может быть криволинейной, но при одинаковом ее диаметре высота расположения мениска оказывается одинаковой.
14
Подъемная сила в мениске Q определяется по формуле Лапласа: Q = 4α/d;
hк = 4α/d.γw. Где α – коэффициент поверхностного натяжения; d - диаметр капилляра трубки; hк - высота капиллярного поднятия; γw - удельный вес воды.
Значение hк зависит от диаметра капилляра, но не зависит от его формы. В
грунтах исходя из размера пор можно судить о высоте капиллярного подъема воды, которое приближенно составляет в:
гравелистом и крупном песке – 2-5 см;
среднем песке – 20-30 см;
мелком песке – до 1,0 м и более;
супеси и суглинке – до 3 м.
В глинах нет капиллярного поднятия (капиллярной каймы), поскольку сцепление не пускает эту воду.
В гидротехнике учитывают эффект капиллярного сифонирования, поэтому
гребень плотин располагают выше уровня воды на величину, превышающую hк.
При понижении воды иглофильтрами за счет капиллярного натяжения воды
можно устраивать круче откосы.
За счет капиллярной каймы над кривой депрессии на откосах при открытом
водоотливе возникает участок высачивания, приводя к оплыванию откосов.
При понижении атмосферного давления происходит мгновенное поднятие
уровня подземой воды (колебание достигает порой 1 м) и снижается устойчивость
откосов. Перед грозой уровень воды в колодцах повышается.
Капиллярная вода замерзает при t = 0 – 1,5о С. Эта вода относится к гравитационной, поскольку передает гиростатическое и гидродинамическое давления и
фильтрует в грунтах.
Свободная вода не подвержена электромолекулярным и капиллярным силам, а испытывает только силы гравитации. Она передает гиростатическое и гидродинамическое давления, причем свободно фильтрует. Закипает при t = + 100о С,
замерзает при 0о С.Ухудшает свойства грунтов, особенно глинистых и биогенных.
Движение воды в грунтах
Различают: фильтрацию воды и миграцию влаги.
Фильтрация – гравитационное передвижение больших масс воды под действием сил гравитации (тяжести и внешнего давления на грунт). Внешнее давление в водонасыщенном грунте сперва передается на воду, а затем на скелет. Возникающий напор воды опасен.
Миграция – передвижение воды под влиянием других сил, кроме гравитационных (разность электрических и температурных градиентов (электроосмос,
давление газовых паров, промерзание и оттаивание грунтов). При двойной толщине пленок, т.е. 2х(0,25 – 0,5) микрон, вода становится свободной и достигается предел текучести.
В 1809 г. профессор Московского университета Рейс проводил опыт с погружением электродов от источника постоянного тока в ящик с влажным глинистым грунтом. При этом было замечено, что возле анода грунт стал более сухим, а
15
вокруг катода – влажным. Этот эффект был назван электроосмосом. О нем
вспомнили примерно через 150 лет и стали применять на практике при электроосушении и электрозакреплении глинистых и иных слабофильтрующих грунтов.
Процесс миграции влаги при разности температур в грунте снаружи и под
зданием учитывают при устройстве проветриваемых подполий. За счет разницы
температур под очищаемым от снега тротуаром и при наличии снега за каменным
забором происходит его наклон.
6 Газообразная фаза в грунтах
Наряду с водой в грунте может находиться газ в различных состояниях:
свободный, сообщающийся с атмосферным воздухом; адсорбционный в виде пузырьков вокруг минеральных частиц; защемленный, который не сообщается с
атмосферой и находится в порах органических или глинистых грунтов. В торфах
и заторфованных грунтах может содержаться порядка 10-20% защемленного газа,
который сильно влияет на сжимаемость грунтов, проявляясь виде упругих деформаций. Доказано, что содержание всего 5% газа от объема пор уменьшает передачу нагрузки на подземную воду в 5 раз. Наличие газа в грунте снижает его
сопротивляемость сдвигу. Присутствие сероводорода или метана в грунтах может явиться препятствием при устройстве глубоких и узких котлованов или
траншей. В них не должно быть рабочих, а выемку грунта нужно вести механизмами.
Свойства газа.
Свободные газы:
Растворенные в воде
- связанные с атмосферой,
- защемленные газы (глинистые грунты).
16