Характеристики физических свойств грунтов

Лекция 2
Общие сведения о грунтах.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ
Изучение грунтов как объекта инженерно-строительной деятельности является задачей грунтоведения.
Грунтами называются горные породы верхней коры выветривания, используемые строительстве. Происхождение термина голландское или немецкое,
пришедшее к нам в средние века.
Грунт используется для сооружений в качестве: основания; среды (сооружения подземные); материала (насыпи, подушки, земляное полотно и др.).
Образование, состав, структура, текстура и связность грунтов
1. Образование грунтов (генезис)
Континентальные отложения:
- элювиальные (
- форма зерен угловатая);
- делювиальные (перемещенные атмосферными водами и силами тяжести,
напластования не однородны.);
- аллювиальные (перенесенными водными потоками на значительные расстояния – окатанные частицы);
- ледниковые (результат действия ледников, неоднородные грунты);
- эоловые (продукты выветривания, пески дюн, барханов, наличие пылеватых и илистых фракций).ё
Морские отложения: илы, заторфованные грунты, пески, галечники –
низкая несущая способность.
2. Состав грунтов
Грунты – дисперсные (раздробленные) системы, являющиеся продуктами
механического, химического, физико-механического и биологического процессов
выветривания в земной коре. В условиях естественного залегания они представляют собой сложную систему твердых, жидких и газообразных компонентов.
Во всех грунтах, кроме скальных, твердые частицы представляют собой
систему минеральных зерен величиной от нескольких сантиметров до мельчайших частиц с размерами в сотые и тысячные доли мм. Они состоят из первичных
(кварц, полевые шпаты, слюды, магниево-железистые соли, кремниевые кислоты,
кальцит, доломит и др.) и вторичных минералов (каолинит, монтмориллонит,
окислы и гидроокислы алюминия и железа, кремнезем и др.), а также из органической части (гумуса, торфа, иловатых частиц и др.).
8
Грунт - это 3х фазная система.
Грунт = твердые частицы + вода + газ
От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов.
Грунт может состоять из двух компонентов или фаз (твердые частицы +
вода, твердые частицы + воздух) или из трех (твердые частицы + вода + воздух).
Вода и воздух заполняют пустоты между частицами.
3. Структура и текстура грунтов
Следует различать структуру и текстуру грунтов.
Под структурой грунтов понимают взаимное расположение грунтовых
частиц и характер связи между ними. Из этого определения следует, что структура имеет две стороны: сложение и связность.
Виды сложений
а - зернистое (им обладают песчаные грунты): а – рыхлое, б – средней
плотности, в – плотное.
б - хлопьевидное (характерно для илов при n >90%): малые поры, большие
поры.
в - сотообразное (губчатое) - при уплотнении происходит упрочнение
грунтов.
г - каркасное (для различных глинистых, особенно моренных грунтов.
Виды связности
Связность – это свойство, характеризующее связь между грунтовыми частицами, которая в дисперсных грунтах бывает двоякой:
а – водноколлоидная создана молекулярными силами пленочной воды. Характерна для молодых (четвертичных) глинистых грунтов и может легко нарушаться при замачивании или встряхивании, но затем легко восстанавливаться.
б – кристаллизационная создана природным цементом у древних грунтов
за счет пленочной и свободной воды в виде электролита. Такую связность можно
создавать искусственно (силикатизация – образование кремнистого цемента в течение нескольких суток при химическом закреплении грунтов).
Под текстурой грунтов понимают их сложение в массиве. Она бывает:
а - слоистая (водноледниковые пески), горизонтальная и косослойная;
б – ленточная (озерно-ледниковые отложения) с чередованием м тонких
прослойков песка и глины;
в – порфировая (моренные глинистые грунты) с размещением на фоне
мельчайших частиц просматриваются крупные обломки. Наряду со связностью
возникает большое трение;
г – сетчатая (при промерзании грунта сверху и сбоку), просматривается в
пределах образца;
д – слитная (на фоне разреза нет неоднородностей) у однородных песчаных или глинистых отложений.
9
Структура грунта:
Текстура грунта:
зернистая
Слоистая
сотообразная
порфировидная
хлопьевидная
слитная (однородная)
Строение грунтовой толщи бывает: нормальное согласованное и несогласованное, косослойное и линзовидное.
4. Виды грунтов
Вначале рассмотрим только основные виды (классы) грунтов согласно СТБ
943-04 и ГОСТ 25100-80:
скальные;
крупнообломочные и песчаные;
глинистые;
особые (илы, заторфованные и торфы, ленточные глины, просадочные и набухающие глинистые, пучинистые пылеватые глинистые и пылеватые пески, насыпные и намывные, вечномерзлые, искусственные).
К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные),
залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива.
К нескальным грунтам относятся:
крупнообломочные – несцементированные грунты, содержащие более 50%
по весу обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм;
песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% по
весу частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (грунт не
раскатывается в шнур);
глинистые – связные грунты, обладающие свойством пластичности, т.е. их
можно раскатывать в шнур диаметром 3 мм и менее. Они содержат частиц менее
0,005 мм более 3%.
5. Скелет грунта и его гранулометрический состав
Грунты с мелкими зернами обладают развитой поверхностью и представляют собой дисперсные системы. В этих системах дисперсной фазой являются
частицы, а дисперсионной средой – вода и воздух, заполняющие промежутки (поры) между частицами грунта.
Дисперсность – степень раздробления вещества на частицы.
Естественные грунты состоят из частиц различной формы и величины и
относятся к полидисперсным системам, свойства которых весьма сложны поскольку суммируют свойства входящих в них частиц. Особенно сильно влияет
наличие в них коллоидных и тонкодисперсных частиц. По количеству частиц разной крупности в грунте построена строительная классификация грунтов.
10
Скелет грунта – это твердая фаза. Минеральный состав грунтовых частиц
зависит от вида горных пород или минералов, из которых они произошли. Помимо минеральных частиц в состав грунтов входят органические вещества (торф или
гумус), очень разнообразные по своему физическому состоянию и химическому
составу. Они сильно ухудшают строительные свойства грунтов.
Грунтовая фракция - определенный интервал крупности частиц. Выраженное в процентах от общего веса сухого грунта содержание в грунте частиц
различной крупности, называется гранулометрическим составом. Разделение
частиц на фракции называется гранулометрическим анализом.
Имеется несколько методов определения грансостава:
ситовой – для песчано-гравелистых частиц;
проф. Сабаниеа А.Н. – для пылеватых, иловатых и глинистых частиц, который основан на отмучивании в воде с использованием закона Стокса;
пипеточный или ареометрический проф. Рабинзона Г.В. – для глинистых
частиц.
Метод отмучивания – для определения песчаной фракции (Æ от 1 ¸ 0,05 мм)
Фактически грунт состоит из различных частиц. Как его назвать?
Классификация твердых частиц:
№ Наименование Поперечный
Примечания
п/п
частиц
размер (мм)
Галечные (щеКлассифика1
> 10 (20)
бень)
ция по шкале
Гравелистые
2
2 ¸10 (20)
Сабанина (по
Песчаные
3
скорости па0,05 ¸ 2
Пылеватые
4
0,005 ¸ 0,05 дения частиц в
воде)
Глинистые
5
< 0,005
Свойства твердых частиц
Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров.
Крупнообломочные частицы в скоплении формируют так называемые
крупнообломочные грунты, которые: очень хорошо водопроницаемы; мало
сжимаемы; мало чувствительны к воде (маловлажные или насыщенные водой
сжимаются одинаково, набухание не происходит).
Песчаные частицы в преобладающем множестве образуют песчаные грунты, которые: хорошо водопроницаемы; мало сжимаемы; не набухают.
За исключением мелких пески не пучат при промерзании. Свойства частиц зависят не от минералов (из которых преобладает кварц, полевой шпат, глауконит), а от крупности.
Пылеватые частицы – продукты как механического, так и химического
выветриваний. При их наличии более 25% образуются пылеватые грунты. Минералогический состав частиц в некоторой степени влияет на свойства этих грунтов.
Наличие зерен окислов обусловливает связность.
Пылеватые пески малопрочны, неустойчивы по отношению к воде, а при
замачивании теряют связность и оплывают в откосах (потеря устойчивости).
Некоторые виды пылеватых грунтов набухаемы и сильно пучинисты.
11
Глинитые частицы – чрезвычайно активны. По химическому составу существенно отличаются от остальных (форма их чешуйчатая и игольчатая). Даже
3% глинистых фракций достаточно, чтобы грунт приобрел глинистые свойства:
связность, пластичность, набухаемость, липкость, водонепроницаемость.
Таким образом самые мелкие частицы являются наиболее активными в
формировании строительных свойств грунтов. Следует подчеркнуть, что пылеватые свойства хуже глинистых.
Каолинитовые глинистые грунты меньше набухают, а монтмориллонитовые – набухают очень сильно. Древние глинистые грунты прочнее молодых, но у последних связи гибче и способны восстанавливаться в отличие от старых.
Классификация грунтов (простейшая)
Диаметр раска№ Наименование
Содержит
Число
п/п грунта
частиц
пластич- тываемого шнура
из грунта, мм
ности Jр
< 0,005 (%)
1
Глины
> 30
> 0,17
<1
2
Суглинок
1-3
10 ¸ 30
0,07 ¸ 0,17
3
Супесь
>3
3 ¸ 10
0,01 ¸ 0,07
4
Песок
Не плаНе раскатыва<3
стичный
ется
Примечание: Если в глинистом грунте содержится пылеватых частиц больше чем песчаных, то к наименованию добавляют слово «пылеватый (ая)»,
Это указывает на особые свойства: способность к сильному пучению при
промерзании, набуханию или резкому снижению прочности и увеличению
сжимаемости при дополнительном увлажнении, тиксотропному разупрочнению при динамических воздействиях.
Jр определяется в лабораторных условиях (в долях единицы).
Подробнее на классификации грунтов остановимся ниже.
Пока отметим основные различия грунтов связных глинистых и сыпучих. Они обусловлены главным образом отношением этих грунтов к воде:
1.W связных глинистых грунтов колеблется в широких пределах от 3 до
600%, а у песков – от 0 до 40%.
2. По мере увеличения W глинистые грунты проходят три состояния: твердое, пластичное и текучее. Песчаные – два: сыпучее и текучее. Глинистые
грунты с увеличением W ухудшают свои свойства медленно и есть время для спасения сооружений от аварии. В песках ухудшение свойств наступает мгновенно,
что приводит к аварии. Примерами служат аварии жилого массива в Киеве и волнолома в Таллинне, связанные с резким разжижением пылеватых песков от гидродинамического воздействия.
3. По мере высыхания глинистый грунт уменьшается в объеме и трескается
(дает усадку), а пески не изменяют своего объема.
4. Влажные глинистые грунты под действием статической нагрузки дают
значительные осадки, а песчаные сжимаются меньше.
12
5. Сильновлажные глинистые грунты под нагрузкой дают медленно затухающую во времени осадку («вековая осадка» Пизанской башни), а пески деформируются сразу после приложения нагрузки. Это обстоятельство отражено в
нормах. В течение строительного периода в песках происходит до 85-90% осадки, в глинистых грунтах - до 50%, а остальные доли в процессе эксплуатации.
Для гидротехнических сооружений рассчитывают протекание осадок во времени.
6. Песчаные грунты водопроницаемы во всех состояниях, а твердые и пластичные глинистые практически непроницаемы (пески – дренажи, глины – водоупор).
Поверхностная активность скелета грунта
Удельной поверхностью грунта назовем суммарную поверхность всех частиц
(Sуд) в 1 см грунта. Дисперсные тела называются поверхностно-активными или
коллоидными, если поверхностные силы оказывают большое влияние на их свойства. Когда твердая фаза больше жидкой – золь (коллоидный раствор или текучее
состояние), если преобладает жидкая фаза – это гель (пластичное состояние).
Удельная поверхность:
У шаровой частицы d = 1см - Sуд = 31 см2; d = 0,00001 см – Sуд = 310000 см2.
В 1г. песка - Sуд = 0,8 м2, а глины (монтмориллонит) - Sуд = 800 м2.
Если грунт состоит из одной категории, то он легко получает название, но в природе это встречается редко.
13