Лекция № 5. Семестр 2

Техническая мелиорация грунтов

Характеристика классов грунтов

Природные скальные грунты. Для объектов Беларуси не характерны.

Природные дисперсные грунты. В этот класс входят:

• несвязные грунты в виде крупнообломочных образований и песков;

• связные грунты (с водноколлоидными связями) в виде минеральных (глинистых), органо-минеральных и органических образований.

Гранулометрический состав крупнообломочных и песчаных грунтов определяют с помощью набора стандартных сит, имеющих различные отверстия. После рассева фракции взвешиваются и устанавливается их процентное соотношение. Гранулометрический анализ глинистых грунтов проводят специальными и достаточно сложными методами.

Свойства несвязных грунтов. Крупнообломочные грунты имеют обломки более 2 мм (дресва, гравий, галечник). Они несцементированы и аналогичны во взаимодействии друг с другом песчаным грунтам, т. е. в них отсутствуют связи, характерные для глинистых грунтов и грунтов с жесткими кристаллизационными связями.

Прочность и водостойкость крупнообломочных грунтов зависитотгенезиса ипетрографического состава обломков. На деформационных показателях сильно сказывается степень выветрелости обломков. В сильно выветрелых грунтах модуль деформации невелик. В невыветрелых грунтах влажность на деформационные характеристики практически не влияет, но в сильновыветрелых она существенно понижает модули деформации. При росте коэффициента выветрелости от 0,45 до 0,75 угол внутреннего трения снижается с 28 до 22^о, а сцепление от 0,035 до 0,027 МПа.

Крупнообломочные грунты являются хорошим основанием для зданий и сооружений, при плотном сложении под нагрузкой не уплотняются, но при большом содержании глинистого материала увеличивается сжимаемость. При динамических воздействиях и землетрясениях водонасыщенные крупнообломочные грунты могут разжижаться и терять устойчивость, что сказывается на устойчивости объектов.

Крупнообломочный элювий обычно состоит из угловатых остроугольных глыб, форма и размер которых в основном зависят от структурно-текстурных особенностей пород. В верхних частях разреза осыпи он имеет рыхлое сложение при отсутствии какого-либо заполнителя, поэтому водопроницаемость осыпи чрезвычайно высока.

Крупнообломочные отложения временных водных потоков в процессе перемещения при перекатывании и соударениях приобретает различную степень обработанности и сортировки. Одной из разновидностей пролювия являются селевые отложения грязекаменных потоков, содержащие крупный валунник, галечник и гравий с песчаным, пылеватым и глинистым материалом между обломками. При наличии беспорядочной или грубой косослоистой текстуры с неправильным чередованием линз и прослоев разных состава и свойств общая пористость крупнообломочных грунтов может быть очень низкой (15 – 21%), чему также способствует просыхание с образованием прочных цементационных связей между обломками. Пролювиальные и особенно селевые отложения в условиях жаркого климата могут содержать водорастворимые соли.

Аллювиальные крупнообломочные грунты равнинных рек представлены окатанными обломками прочных пород, имеют достаточно плотное сложение, высокую водопроницаемость и являются практически несжимаемыми при нагрузках строительной практики.

Морские круннообломочные отложения имеют хорошую отсортированность галечников и практически лишены какого-либо заполнителя, что определяет их высокую водопроницаемость, малую сжимаемость и пониженное сопротивление сдвигу.

Морские грубообломочные отложения на значи­тельных глубинах (до 600 – 800 м) и на большом удалении от берега плохо отсортированы, содержат много мелкозернистого материала, что существенно снижает водопроницаемость всей толщи грунта.

Озерные крупнообломочные грунты по своим текстурно-структурным особенностям и свойствам близки к морским галечникам, формирующимся в зоне прибоя.

Крупнообломочные грунты ледниковые (флювиогляциальные отложения) о бычно залегают в виде прослоев, линз или рассеяны в виде включений в моренных толщах и флювиогляциальных песках. Эти грунты характеризуются значительной водопроницаемостыо, слабой сжимаемостью и довольно большой прочностью

Песчаные грунты сложены угловатыми и окатанными обломками размером от 2 до 0,05 мм. Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов с примесями силикатов и глинистых минералов. Морские пески занимают большие площади с многометровой мощностью, хорошо отсортированы по крупности. Речные пески (аллювиальные) всегда локальны по площади распространения, маломощны, полиминеральны, не отсортированы, нередко с примесью глинистых частиц и гумуса. Пески по крупности частиц разделяют на гравелистые, крупно-, средне- и мелкозернистые, пылеватые (табл. 6). Пористость рыхлых песков около 47 %, а плотных – до 37%. Рыхлое сложение легко переходит в плотное при водонасыщении, вибрации и динамических воздействиях. Плотность песков оценивают по значению е: плотное сложение (е < 0,60), средней плотности и рыхлое (е > 0,75).

Таблица 6

Разновидности песчаных грунтов [9, 11]

Пески	Крупность частиц, мм	% от массы воздушно-сухого грунта   та   сухого фунта
Гравелистые Крупные Средние Мелкие Пылеватые	> 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1	> 25 > 50 > 50 75 и более 75 и более

Пески всегда водопроницаемы. В пылеватых песках к_ф не превышает 1 м/сут, в крупнозернистых – до 40 – 30 м/сут, а в гравелистых – 80 – 100 м/сут. В плотном сложении пески хорошо воспринимают нагрузки и рассеивают напряжения в основаниях под фундаментами. Модуль деформации песков колеблется от 11 до 50 МПа и закономерно снижается от крупных к пылеватым.

Пески в строительстве широко применяются и являются надежным основанием, служат хорошим материалом для изготовления различных строительных изделий, цементных растворов и т. д. Однако наличие примесей слюды, солей, гипса, глинистых минералов и гумуса в ряде случаев ограничивает использование песков.

Проходка строительных котлованов в песках сопряжена с известными трудностями. В рыхлых сухих песках приходится делать очень пологие откосы, что ведет к большим объемам земляных работ, или их крепить.

Состав, строение и свойства песков определяются их генезисом. Разные генетические типы песков имеют различное распространение [2]: в Европейской частиСНГ: 51% площади занимают аллювиальные пески, 24% – водноледниковые; 11,3% – эоловые, 3,6% – элювиальные, 5 – 6% – морские, 1,6 – озерные, 1,5% – остальные.

Элювиальные пески неоднородны по гранулометрическому составу, имеют необработанные угловатые зерна, рыхлое сложение (сильную уплотняемость).

Аллювиальные пески очень широко развиты на равнинных территориях современных речных долин и вне их, различны по гранулометрическому составу и свойствам.

Русловые пески основного потока реки наименее дисперсные по сравнению с другими типами аллювиальных песков. Эти пески характеризуются слоистым сложением с разнообразием форм косой и диагональной слоистости. Они сложены главным образом частицами окатанной и слабоокатанной формы. Невысокая дисперсность, достаточно хорошая отсортированность и окатанность, преобладающее среднее и рыхлое сложение песков обусловливают значительную их водопроницаемость, причем в горизонтальном направлении она обычно выше, чем в вертикальном.

Пойменные и старинные пески залегают в виде маломощных прослоев и линз в толще супесей и суглинков (отложения ленточные, линзовидно-слоистые супеси и суглинки и др). Эти отложения представлены преимущественно мелкими и пылеватыми песками, горизонтально- или линзовиднослоистыми, содержащими примесь глинистого, а иногда и органического материала, имеют значительно меньшую водопроницаемость, сжимаемость и прочность по сравнению с русловыми отложениями.

Дельтовые пески основном средние и мелкие, достаточно хорошо отсортированы с окатанной формой зерен, в ряде случаев обогащены пылеватым и глинистым материалом. Эти пески имеют чередование горизонтальных слоев с покрывающими их косыми сериями, причем горизонтальные слои срезают косые серии несогласно (уклон косых слоев до 45°). Очень часто они имеют рыхлое сложение и сильно уплотняются при динамическом воздействии, но при этом склонны к разжижению, что следует иметь в виду при проектировании оснований на динамические вибрационные нагрузки.

Флювиогляциальные пески ледникового комплекса называются водноледниковыми и имеют очень широкое распространение в Беларуси. Они представлены крупными, средними, мелкими и пылеватыми разностями с грубообломочным материалом. Встречается некоторое количество глинистых частиц. Для этих песков характерна косая слоистость. Они лишены растворимых солей и содержат очень мало органических веществ, имеют преимущественно среднюю плотность сложения, но во многих районах даже рыхлое. Доминируют слабоокатанные зерна. Плотность частиц 2,64 – 2,68 г/см³. Пористость песков этого типа такова: в гравелистых разностях – 40 – 41%., мелких – 40 – 46 %, пылеватых – 42 – 51 %. Для этих песков коэффициент фильтрации не превышает 10 м/сут, с ростом же дисперсности он падает до 1,5 м/сут. Угол естественного откоса в воздушно-сухом состоянии – от 30 до 40^о, под водой – 24 – 33^о.

Ледниковые (моренные) пески залегают в виде прослоев и линз в толще моренных валунных суглинков и глин. Гранулометрический состав разнообразен, но преобладают плохо отсортированные гравелистые и крупнозернистые разности.В них всегда присутствует валунный материал, иногда в значительных количествах. Для этого типа песков свойственна большая изменчивость состава и свойств как в разрезе, так и по простиранию. Ледниковые пески, заключенные и толще моренных глинистых грунтов, часто содержат напорные воды. Линзы таких водонасыщенных песков при вскрытии котлованов или других строительных выемок и выработок часто способствуют сползанию и оплыванию откосов, а иногда и прорыву напорных подземных вод в котлованы и подземные выработки. Вместе с водой в этих случаях вымоется много песка, что значительно снижает устойчивость вышележащего грунтового массива.

Морские пески отличаются высокой однородностью и очень хорошей окатанностью (за редким исключением) и достаточно сильной водопроницаемостью (коэффициент фильтрации значительно больше 1 м/сут). Мелководные пески, особенно в зоне прибоя, имеют плотное сложение. Глубинные пески преимущественно рыхлые (но есть и исключения) и склонны давать быструю осадку при динамических нагрузках и вибрации.

Эоловые пески наиболее широко распространены в полупустынях и пустынях, обычно представлены отсортированными мелкими или пылеватыми разностями с хорошей окатанностью частиц. В целом строение толщ эоловых песков характеризуется неправильностью и разнообразием углов наклонаслоев, в целом очень рыхлым недоуплотненным сложением, сильной водопроницаемостью.

Свойства связных грунтов. К связным грунтам относятся супеси, суглинки и глины. Такие грунты имеют значительную долю в Беларуси.

Глинистые грунты характеризуются большой группой физических свойств: пористостью, влажностью; поглотительной способностью; коррозионными и специфическими свойствами (пластичностью, консистенцией, липкостью, набуханием и усадкой). Они обычно залегают самостоятельными слоями, иногда в виде прослоев или линз в толщах других грунтов, что типично в основном озерным и речным отложениям. Мощность слоев очень разнообразна – от сантиметров до десятков и сотен метров.

Пористость п глинистых грунтов в зависимости от генезиса изменяется в широком диапазоне от 10% до 95 %. В супесях и суглинках поры имеют открытый характер и практически соединяются друг с другом, что позволяет достаточно свободнопроникать в грунт воздуху и воде. В глинах поры изолированы друг от друга, могут содержать «защемленные» воздух и воду. Это придает глинам характер «водоупоров».

В порах глинистых грунтов кроме воздуха и воды иногда содержится органический перегной «гумус». Больше всего (до 5 – 15 % от массы грунта) его бывает в супесях и суглинках, поэтому их называют «почвами». Гумус очень гидрофилен и существенно повышает активностьглинистых грунтов во взаимоотношениях с водой, увеличивая влагоемкость, пластичность, сжимаемость и т. д.

Влажные глинистые грунты под нагрузками сильно сжимаются за счет уменьшения пористости. Вначале из пор вытесняется воздух, а потом свободная (жидкая) вода. Грунт при этом ведет себя как пластичное тело. Дальнейшее увеличение нагрузки принимает на себя минеральный скелет грунта. Если структура грунта не была разрушена, то после снятия нагрузки объем грунта может несколько увеличиться, что связано с расклинивающим действием пленочной воды на частицы грунта.

Вода в глинистых грунтах заполняет поры полностью или частично и всегда сильно влияет на свойства грунтов, в частности, на поведение их под нагрузками. В природных условиях глинистые грунты практически всегда содержат воду, количество и виды воды бывают различными.

Поглотительная способность глинистых грунтов связана с активной поверхностью глинистых частиц, причем в наивысшей мере тех, которые несут на своей поверхности электрические заряды. Минералы алюмосиликатногоили силикатного состава имеют отрицательные заряды.

Коррозионные свойства глинистых грунтов выражаются в разрушении строительных материалов и подземных металлических трубопроводов. Коррозия возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов на поровый водно-солевой раствор. В этом процессе вода пор становится электролитом. Коррозионные разрушения наиболее типичны городским территориям с трамвайным движением. При проектировании объектов следует предусматривать меры защиты от коррозии.

Специфические свойства глинистых грунтов. Вода и ее количество придает глинистым грунтам ряд особых (специфических или «характерных») свойств: пластичность, липкость, наб у хание и усадка.

Пластичность. Это способность глинистых грунтов под действием внешнего давления изменять свою форму без разрыва сплошности, т. е. без образования трещин, и сохранять полученную форму. Пластичные свойства обуславливаются наличием пленочной воды и проявляются только между двумя определенными значениями влажности: границей раскатывания w_р и границей текучести w_L. Грунт при влажности ниже w_p находится в твердом состоянии, а выше w_L – растекается. Разница между значениями w_р и w_L называют числом пластичности I_p.

Консистенция тесно связана с пластичностью, отражает физическое состояние грунтов и показывает степень подвижности частиц в зависимости от различного количества в грунтах воды. По значениям показателя текучести J_L с помощью таблиц устанавливают в каком состоянии находится грунт. Суглинки и глины могут иметь консистенцию твердую, полутвердую, тугопластичную, мягкопластичную, текучепластичную, текучую. Супеси бывают твердые, пластичные и текучие.

Липкость (г/см²) – способность пластичных глинистых грунтов прилипать к поверхности предметов (колесам и тракам дорожных машин, к лопате и т.д.), что обусловлено наличием пленочной воды, а в почвах также гидрофильного гумуса. В период дождей она осложняет разработку котлованов и процесс уплотнения грунтов.

Набухание – способность глинистых грунтов увеличиватьсвойобъем в результате увлажнения. Набухающие грунты обычно залегают слоями и чаще всего встречаются на поверхности земли сухих районов. Мощность слоев набухающих глин обозначается Н_sw. Схема процесса набухания грунтов показана на рис. 51. За счет давления набухания грунтов здание деформируется.

Рис. 51. Схема набухания грунта (а), давление набухания (P_sw)

на фундамент (б)и деформации здания от усадки грунта (в):

1 – набухающие грунты; 2 – зона усадки грунта; 3 – здания

Набухание сухих или слабо влажных грунтов происходит после соприкосновения с водой. Способность грунтов к набуханию определяют в лаборатории по величине относительного набухания E_sw = (h_нс – h)/h, где h – начальная высота образов и h_нс – высота после набухания.При E_sw = 0,04 грунт считают набухающим; при значении 0,04 – 0,08 – слабонабухающим; 0,09 – 0,12 – средненабухающим и свыше 0,12 – сильно набухающим.

Одновременно определяется влажность набухания (w_sw) и давление набухания (P_sw) грунта при увеличении своего объема. Давление Р_sw может достигать 0,8 МПа и легко поднимать и деформировать здание и сооружение.

Наличие набухающих грунтов устанавливают в ходе инженерно-геологических изысканий. При проектировании объектов на набухающих грунтах необходимо предусматривать определенные мероприятия: 1) в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и 2) в грунтовом основании.

При строительстве на набухающих основаниях могут быть использованы:

• Водозащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод. По периметру зданий устраивают широкие асфальтовые отмостки, канавы и лотки для отвода воды; надземные водонесушие коммуникации помещают в специальные каналы.

• Устранение набухания в пределах всей или части толщи грунта путем предпостроечного замачивания с использованием дренирующих скважин. Однако при этом в грунтах понижаются прочностные и деформативные характеристики.

• Устройство компенсирующих подушек под всем зданием или фундаментами из слоя уплотненного грунта (песка, суглинка, глины). Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину Р_sw.

• Прорезка фундаментами, лучше всего монолитными жесткими или свайными, слоя набухающего грунта. При этом боковая часть фундаментов должна обсыпаться песком в целях устранения прилипания к ним грунта.

• Полная или частичная замена слоя набухающего грунта ненабухающим. Этот способ экономически оправдан при набухающих грунтах с небольшой мощностью слоев.

• Увеличение давленияот зданий на основание больше Р_sw.

Наибольший эффектдает сочетание нескольких этих мероприятий при увеличении жесткости и прочности фундаментов и самих зданий.

Усадка — это уменьшение объема глинистого грунта при высыхании. Собственно, это процесс, обратный набуханию. Высыхание грунтов происходит за счет испарения воды или её отсасывания из грунта корнями деревьев слишком близко к зданию при их проникновении под фундамент. При усадке грунт растрескивается, теряет монолитность, прочность. Поверхность земли опускается, а здания деформируются (см. рис. 51,в).

В лаборатории устанавливают величину относительной усадки Е_sh = (h_n – h_d)/h_n (где h_n – высота образца грунта с w_max, а h_d, – высота после высыхания), определяют влажность грунта на пределе усадки (w_sh), мощность подверженных усадке грунтов H_sh. Величина E_sh бывает в глинах больше чем в суглинках. В супесях усадка не проявляется. Проявление усадки предупреждают теми же мероприятиями, что и набухание грунтов.

Инженерно-геологическая характеристика некоторых глинистых грунтов. Элювиальные глины, суглинки и супеси имеют различные свойства исходя из количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно ярко это проявляется в таком их свойстве как пластичность. Пластичность элювиальных глинистых пород обусловлена наличием и количеством песчаной, пылеватой и грубообломочной фракций.

Делювиальные суглинки, глины и в меньших объемах супеси покрывают более или менее мощным покровом склоны различных положительных и откосы отрицательных форм рельефа. Довольно часто такие глинистые грунты содержат щебень и более крупные обломки, имеют различные растительные остатки. Нередко присутствует гипс в виде мелких игольчатых кристаллов или присыпки (порошка).

Физико-механические свойства глинистого делювия сильно изменяются в зависимости от его состава. Такие грунты быстро размокают в воде, особенно если их естественная влажность мала. Водопроницаемость весьма слаба в силу «глинистости».

Делювиальные глинистые грунты склонны к движению вниз по откосам за счет проявляющейся слоистой текстуры. Искусственная подрезка делювиальной толщи при проходке котлована под здание, дорожной выемки и т. п. особенно в нижней части склона, как правило, вызывает во всей ее массе подвижки оползневого характера, при этом поверхность сдвига может образоваться как внутри делювиальной толщи, так и на контакте ее с подстилающей коренной породой. Примером служат крупные оползни на Южном берегу Крыма, в частности, на территории санатория «Белоруссия» в Гурзуфе.

Пролювиальные глинистые образования чаше всего представлены пылеватыми суглинками с характерной плохой сортировкой материала и наличием включений обломков пород различной величины. Глинистый пролювий сильно неоднороден по всей толще с точки зрения деформационных, прочностных и водно-фильтрационных характеристик.

Аллювиальные глинистые образования развиты очень широко в долинах равнинных рек. Они сильно разнообразны по составу и свойствам.

Русловые супеси и суглинки нередко содержат органические остатки.

Пойменные отложения представлены горизонтально-, волнисто-, линзовидно-слоистыми суглинками и глинами, редко супесями. Суглинки и глины плохо дренируемых участков пойм обычно оглеены и обогащены органическими веществами. Молодые пойменные глины, суглинки, супеси обычно очень рыхлые, влажные и слабосвязные. Высыхание их сопровождается усадкой. Очень часто в разрезах пойменного глинистого аллювия наблюдаются погребенные почвы и темноцветные горизонты, обогащенные органическим веществом, что ухудшает его свойства.

Наихудшими по своим инженерно-геологическим характеристикам оказываются старичные глинистые грунты, представленные обычно достаточно высокодисперсными разностями со значительным количеством органики.Они находятся в мягкопластичном состоянии. Среди них (особенно в молодых современных образованиях) очень широко распространены грунты текучей и скрытотекучей консистенции, характеризуемые высокой сжимаемостью и низкими показателями сопротивления сдвигу.

Глинистые и суглинистые грунты пойменной фации аллювия обладают более благоприятными инженерно-геологическими характеристиками. Для них отмечены большие значения сопротивления сдвигу, меньшая сжимаемость, причем отложения высоких пойменных террас еще более благоприятны для строительства. Водопроницаемость пойменных глинистых грунтов также невелика. В разрезах надпойменных террас достаточно широко развиты лёссовидные суглинки, которые в разной степени обладают просадочными свойствами и невысокой водопрочностью.

У дельтовых отложений высокая пористость сказывается на их значительной сжимаемости, низкой прочности и длительном времени консолидации. Лёссовидные супеси и суглинки обладают чаще всего типичными просадочными свойствами.

Глинистые грунты ледникового комплекса слагают мощные толщи моренных водно-ледниковых образований и представлены супесями, суглинками и глинами, содержащими различное количество дресвы, гравия, гальки и валунов. Состав этих образований достаточно закономерно изменяется по мере удаления от области питания. В направлении к югу развиты преимущественно суглинистые толщи, количество включений в которых гораздо меньше, чем к северу. На севере Украины морена становится еще более глинистой, количество валунов уменьшается.

Нижние горизонты моренных толщ по своему составу в значительной степени связаны с составом подстилающих грунтов. Для моренных толщ характерны включения отторженцев – крупных глыб известняков и песчаников и из пластичных мягких глин, которые могут обусловливать большие и, главное, неравномерные осадки зданий. Для моренных образований также характерно наличие внутриморенных линз водонасыщенных песков, увеличивающих неоднородность строения моренных толщ и уменьшающих их устойчивость в стенках откосов и котлованов.

Обличительной чертой глинистых моренных образований является их высокая плотность: обычно в пределах от 1,80 – 1,90 до 2,20 – 2,30 г/см³. Пористость этих грунтов мала – обычно 25 – 35 % (но чаще 30 % или намного ниже). Столь высокая их уплотненность объясняется очень большим давлением ледника в период формирования моренных толщ, а также большой разнородностью гранулометрического состава моренных грунтов. Высокая плотность обусловила малую сжимаемость. Компрессионные модули сжимаемости в интервале нагрузок 0,1 – 0,3 МПа находятся в пределах от 6 до 10 – 15 и даже 20 МПа.Длянагрузок 0,3 – 0,4 МПа их значения обычно больше 10 МПа. Коэффициент пористости для моренных суглинков лежит в пределах 0,3 – 0,45, а моренных супесей – 0,4 – 0,5. Сопротивление сдвигу моренных грунтов обычно достаточно высокое: суглинки имеют С = 0,08 – 0,19 МПа, φ = 18 – 42^о, супеси соответственно С = 0,08 – 0,001 МПа и φ = 12 – 35°. Моренные суглинки и глины, хотя и обладают значительной водопрочностью, все же размокают в воде и размываются водой. Эта их способность иногда является причиной деформаций откосов и дна выемок и котлованов. Моренные глинистые грунты в большинстве случаев считаются надежными основаниями для самых ответственных и тяжелых сооружений, что обусловлено плотным их сложением, очень низкой пористостью и сжимаемостью.

Среди водноледниковых (флювиогляциальных) глинистых отложений наиболее типичными являются ленточные глины. Их образование происходило в приледниковых озерах, куда вода поступала с различной интенсивностью в течение года. При быстром течении воды и обильном поступлении ее в озера летом откладывались слои с большими содержанием песка (песчанистые), а при замедленном движении воды зимой – глинистые слои. В результате произошло образование своеобразных песчано-глинистых толщ с четко выраженной ленточной слоистостью и анизотропией целого ряда свойств. Ленточным глинам свойственны высокие пористость (до 60 – 65 %) и естественная влажность. Их водопроницаемость вдоль напластования значительно выше, чем перпендикулярно ему.Вдоль напластования К_ф = 1 х 10^-1 – 1 х 10^-3 м/сут, а в глинистых прослоях снижается примерно на два порядка, т. е. до 1 х 10^-5 м/сут. В связи со слабой водопроницаемостью осушение водонасыщенной толщи ленточных глин является чрезвычайно трудной инженерной задачей и не всегда осуществимо. Ленточные глины в естественном состоянии могут без значительных деформаций выдерживать нагрузки до 0,3 – 0,4 МПа, даже если их влажность превышает верхний предел пластичности. Повторное чередование нагрузки и разгрузки придает ленточным глинам упругие свойства. После нарушения сложения грунта путем ее перемятия наблюдается резкое снижение прочностных свойств и деформационных показателей. Сопротивление сдвигу ленточных глин в песчанистых прослоях значительно выше, чем по глинистым прослоям. Для водонасыщенных ленточных глин в интервале давлений 0,1 – 0,2 МПа угол внутреннего трения вдоль слоистости равняется для глинистых слоев 11 – 13°, для пылеватых – 15 – 19^о, для песчаных – около 24^о.Присдвиге перпендикулярно слоистости этот угол в среднем равен 16°. Сцепление в глинистых слоях составляет 0,02 – 0,03МПа, в пылеватых – 0,007 – 0,017 МПа. При нарушении естественной структуры сцепление как таковое не фиксируется.

Озерные глины и суглинки распространены мало. Они обычно тонкослоистые, реже линзовидно-слоистые и имеют много органики плохо разложившейся. При больших пористости, содержании органики и естественной влажности имеют малую прочность, значительную сжимаемость и слабую водопроницаемость.

Эоловые глинистые грунты для Беларуси не характерны.

Морские глинистые грунты очень широко распространены среди отложений глубоких частей моря. По своему составу эти глины весьма однородны. Для Беларуси эти грунты также не характерны.

К органоминеральным грунтам относят илы, сапропелии заторфованные. Своим происхождением они обязаны водной среде и располагаются в речных долинах, на низких берегах морей, озер, водохранилищ, в пониженных частях рельефа с высокими уровнями грунтовых вод, где развиты болота.

Ил — водонасыщенный современный (или древний) осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато-глинистых масс с органическим перегноем (гумусом). Его следует считать начальной стадией формирования глинистого грунта. Мощность слоев илов составляет от сантиметров до нескольких метров. Модуль деформации колеблется от0,1 до 2 МПа. Коэффициент пористости для илов супесчаного состава составляет 0,8 – 1,2; суглинистого 0,9 – 1,6 и глинистого 1,2 – 2.Илыпрактически не держат нагрузки и легко выдавливаются, при динамическом воздействии переходят в разжиженное состояние. Небольшую нагрузку выдерживают лишь древние илы, особенно если они перекрыты толщей глинистых отложений.

Сапропели — это рыхлые водонасыщенные песчано-пылевато-глинистые отложения, содержащие органический материал.Мощностьслоев сапропелей от 1 до 20 м. Более или менее уплотненный сапропель называют сапроколом.

Заторфованные грунты — это песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты с большим содержанием органических веществ (до 50 % ) в виде остатков корней растений и примесью гумуса. При оценке свойств этих грунтов большое значение имеет степень разложения растительных остатков R_p.

Почвы повсеместно залегают на дневной поверхности земли и являются элювиальным образованием. Различают почвы песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Все они содержат органику в виде перегноя (гумуса) в количестве от 3 до 12 %. Мощность почв колеблется от 0,3 – 0,5 до 1,5, редко до 3 м. Почвы необходимы сельскому хозяйству и поэтому их следует сохранять. Перед строительством слой почвы необходимо срезать, складировать и использовать по своему назначению где он отсутствует.

Органические грунты состоят в основном из органического материала. Типичным их представителем является торф, сложенный из неполно разложившихся болотных растений с примесью песка, пылеватых и глинистых частиц. Большинство торфов сформировалось в древности и между собой различаются по степени разложения и геологическому строению. Возможны различные случаи геологического строения торфяников. Все органоминеральные и органические грунты содержат воду с агрессивными свойствами к строительным материалам. В связи с непрерывным гниением растительных остатков их свойства очень изменчивы во времени. Модуль деформации Е обычно меньше 5 МПа. Лучше всего нагрузки держат древние, более плотные торфы. Строительство зданий и сооружений на таких грунтах представляет собой сложную задачу.

В каждом случае используются разные мероприятия по предотвращению возможных деформаций оснований и повышению их несущей способности: 1) для илов и сапропелей; 2) для торфов и заторфованных грунтов.

Илы и сапропели. При строительстве следует помнить, что слой ила на дне водоемов всегда обладает худшими свойствами, чем слой погребенного ила. При использовании илов в качестве оснований необходимо:

• заменять ил на другой грунт;

• прорезать слой ила сваями и опиратьсяна прочные грунты;

• на ил набрасыватькамень или намывать слой песка либо устраивать дренажные скважины, что одновременно сокращает сроки уплотнения грунтов.

Торфы и заторфованные грунты. Торфы являются полезными ископаемыми (энергоносители) и поэтому их рассматривать только как основание объектов нецелесообразно. Строительство на заторфованных грунтах в зависимости от их свойств и мощности слоев осуществляется: 1) без специальных мер с применением только конструктивных решений в зданиях и сооружениях; 2) с использованием специальных строительных работ.

Торф – огносительно молодой фитогенный грунт, образующийся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода.. Обладает анизотропией свойств за счет слоистости торфяных залежей. При w = 300 % φ = 24 – 30°, а с = 0,03 – 0,05 МПа, а при w = 1500 % φ = 0 – 5^о и с = 0,004 – 0,01 МПа. Торфы достаточно неоднородны по своему генезису, составу, строению и состоянию, имеют очень широкий диапазон изменения инженерно-геологических характеристик. Неоднородность строения и состава торфа при сильной сжимаемости могут привести к значительным неравномерным осадкам возводимых на них сооружений, которые протекают в течение длительного периода времени.

К засоленным относятся дисперсные грунты со значительным количеством водорастворимых солей. Это могут быть пески, супеси, суглинки, глины и в некоторых случаях даже крупнообломочные грунты. Считаются засоленными при количестве солей свыше: пески – 0,5 %; пылевато-глинистые грунты – 5 %; крупнообломочные грунты – 2 %.

При возведении объектов используются различные приемы строительства:

• прорезка фундаментами зданий слоя засоленного грунта;

• водозащита основанийот проникновенияв них атмосферных и технических вод;

• прекращение фильтрацииподземной водыустройством дренажей и непроницаемых экранов и завес;

• отсыпка на засоленныйгрунт грунтовых подушекиз песка или суглинков без соли;

• предпостроечное рассоление и уплотнение грунтового основания.

Свойства мерзлых грунтов. Мерзлые грунты именуют «криогенными» (криос – холод, лед). Для грунтов этого класса характерны структуры с криогенными связями, т. е. скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов бывает временным и постоянным (вечным). Первое из них свойственно Беларуси.

Временное мерзлое состояние.

В строительстве при сезонном промерзании грунтов всегда учитывается глубина промерзания d_f, которая у разных грунтов и климаческих зон колеблется от нескольких сантиметров до 2 – 3 м. Она определяется:

• по карте, где показывается среднее значениепо каждой местности;

• по расчетным формулам;

• по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности. Искомое значение используют при проектировании объектов.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных поднятий дорожных одежд (на 0,2 – 0,5) в силу промерзания деятельного слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется яма. Морозное пучение предупреждается рядом мероприятий, отраженных в проектной документации и прежде всего за счет назначения глубины заложения фундаментов ниже зоны промерзания, особенно в пучинистых грунтах.

Свойства техногенных грунтов. При проведении различных строительных и горных работ и хозяйственной деятельности человека возникает большое количество производственных отходов (отвалы шахт, заводов, городские свалки и т. д.) или специально созданных человеком в строительных и производственных целях (намывные грунты, грунты обратной засыпки, насыпи дорог и т.д.). Эти образования получили название техногенных грунтов. К антропогснным образованиям относят твердые производственные отходы, у которых произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального и органического сырья.

Наибольше искусственных грунтов приурочено к промышленным и городским территориям. Их много возникает при военных действиях и чрезвычайных ситуациях. Особо неблагоприятны бытовые и производственные отходы, занимая очень большие, непрерывно расширяющиеся площади и нанося серьезный вред жизненной среде человека.

Техногенные грунты используют в качестве оснований и материала для инженерных сооружений (земляных плотин, насыпей автомобильных и железных дорог и пр.).

Классификация техногенных грунтов. Инженерно-геологичес-кие свойства таких грунтов определяются составом материнской породы или отходов производственной и хозяйственной деятельности, характером воздействия на них человека.В соответствии с классификацией грунтов согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» техногенные грунты выделены в отдельный класс.

Природные перемещенные образования - природные связные и несвязные грунты, изъятые из местихестественного залегания и частично переработанные. Перемешенные образованияпо способам укладки делят на насыпные и намывные.

Насыпные грунты подразделяют на планомерно и непланомерно отсыпанные, на строительные (насыпи автомобильных и железных дорог, плотин и дамб, насыпи под основания зданий и сооружений, грунты обратной засыпки при строительстве подземных линейных сооружений) и промышленные (вскрышные породы, горные выработки).

В процессе выемки и при погрузочных, транспортных или отвальных работах происходит разрыхление грунтов. Коэффициент разрыхления песков (отношение плотности в условиях естественного залегания и в насыпи) составляет 1,1 – 1,25; у глин он может увеличиваться до 1,6. Различают однородные и неоднородные насыпи.

Прочностные характеристики насыпных грунтов необходимо определять с учетом условий формирования насыпных откосов. Влияние фактора времени на состояние насыпи сказывается в приобретении этими грунтами уплотнения и сцепления упрочнения. Величина «вторичного» сцепления существенно зависит отсостава грунтов, времени существования насыпи и упрочняющей нагрузки (табл. 7).

Таблица 7

Время приобретения грунтами естественнойплотности

(по данным исследований на газопроводах)

Тип грунта	Сроки уплотнения, годы
Пески средние и мелкие Супеси Суглинки и глины Супесчано-песчаные грунты с примесью слаборазложившегося торфа	2 – 4,5 4 – 6 8 – 12 2 – 4

Намывные грунты. Создаются средствами гидромеханизации с помощью трубопроводов. При организованных намывах возникают грунты с заранее заданными свойствами, например, высокоплотные толщи песка в качестве оснований зданий и сооружений. При неорганизованном намыве перемещают грунт для освобождения рабочих площадей, месторождений полезных ископаемых или строительных материалов.

Специалисты выделяют три стадии формирования свойств намывных грунтов: уплотнение, упрочнение и стабилизированное состояние намывных грунтов.

Антропогенные образования (бытовые отходы на городских и поселковых свалках и промышленные отходы, включая строительные отходы, шлаки, шламы, золы, золошлаки и др) являются источниками экологического загрязнения природной среды и особенно верхней части литосферы и гидросферы,

Улучшенные грунты. Многие грунты в природном состоянии по своим свойствам не отвечают требованиям строительства (недостаточно прочные, не водостойкие, переувлажнены, рыхлые, с большим содержанием органики и т. д.) поэтому требуется преобразование и приданиеим необходимых свойств.

Природные грунты с ухудшением свойств в процессе строительных работ (искусственно разрыхленные, увлажненные и т.д.), называют ухудшенными. Если прочностные и деформативные свойства искусственно изменены в лучшую сторону с помощью технической мелиорации, то такие грунты называют улучшенными.

Согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95, природными образованиями, измененными в условиях естественного залегания, являются грунты, у которых средние значения показателей химического состава изменены не менее чем на 15 %.

Техническую мелиорацию грунтов применяют в строительстве для искусственного улучшения их свойств: прочности, водоустойчивости, снижения водопроницаемости.

Существуют два основных пути улучшения грунтов – уплотнение (изменение физическим воздействием) и закрепление (изменение физико-химическим воздействием). При уплотнении грунтов уменьшаетсяихпористость и увеличивается общая прочность с уменьшением сжимаемости. Уплотнение бывает поверхностным (катками, тяжелыми трамбовками, вибрацией, замачиванием), и глубиннным (грунтовые столбы, взрывы, замачивание и т. д.).

При закреплении увеличивается прочность грунтов за счет склеивания частиц грунта или грунтовых агрегатов различными химическими веществами (силикатизация, цементация и др.), спеканием частиц (обжи, применениеСВЧ – сверхвысоких частот), замораживанием грунтов, армированием грунтового массива (анкеры и нагели, геотекстильные и нетканые синтетические материалы и т. п).

Для упрочнения скальных и полускальных трещиноватых грунтов используют в основном закрепляющие методы – цементацию, битумизацию, глинизацию и др. Улучшают свойства дисперсных грунтов всеми методами как закрепления, так и уплотнения. Для крупнообломочных грунтов используют силикатизацию, цементацию, бигумизацию, замораживание; для песчаных грунтов – силикатизацию, термическую обработку (обжиг, замораживание), смолизацию, кольматацию, виброуплотнение, трамбование. укатку, замачивание и др.; для связных грунтов – электроосмос, термическую обработку, трамбование, укатку, взрывы, замачивание лёссов и др.; для связных органоминеральных и органических грунтов (илы. торф, заторфованные грунты и др.) – электроосмос, электрохимическое закрепление, гравитационное уплотнение и др.

Дисперсные грунты. Улучшают свойства рыхлых и связных грунтов методами технической мелиорации, разделяемыми на две группы: уплотнение и закрепление.

Физико-механические методы уплотнения грунтов: 1) трамбованием; 2) грунтонабивными столбами; 3) виброуплотнением; 4) энергией взрыва; 5) укаткой; 6) гравитацией. За счет уменьшения пористости природные структуры грунтов нарушаются и формируются новые структурные связи.

Большие заряды способствуют разупрочнению грунта вокруг создаваемых полостей, а зона спрессовывания смещается на значительное расстояние. Этот факт традиционно не учитывают, что приводит к серьезным просчетам.

Метод замачивания используют для механического уплотнения лёссовых просадочных грунтов, причем как до строительства и в период эксплуатации объектов.

Физические методы используютэлектрические,температурные, магнитные воздействия.

«Термическое закрепление» грунтов: обжиг, замораживание.

Физико-химические методы: солонцевание грунтов (обработка солями); глинизация (иначе - «кольматация»); гидрофобизация, т. е. покрытие грунтовых структур поверхностно-активными веществами, отталкивающими воду.

Химические методы улучшают свойства грунтов, воздействуя на них органическими и неорганическими вяжущими веществами. Упрочнение грунтов происходит за счет изменения их состава и характера структурных связей. Наиболее широко применяют битумизацию и смолизацию (органические вяжущие), силикатизацию, цементацию и известкование (минеральные вяжущие).

Эти методы закрепления грунтов путем закачки в них под давлением соответствующих суспензий и растворов предполагает их проникновение в поры и пропитку грунтов. Однако это возможно только при условии отсутствия мелких фракций и достаточно больших по размеру пор. В противном случае происходит лишь опрессовка грунта вокруг заполненных раствором расширяемых скважин и гидроразрывных трещин.

1 Волновой цуг, длина когерентности.

2 Интерференция в тонких пленках.

3 Интерференция от плоскопараллельной пластинки.

4 Интерференция от пластинки переменной толщины.

5 Применение интерференции света.

1. Немонохромотичность, а, следовательно, и не когерентность волн, испускаемых независимыми источниками света связана с механизмом испускания света атомами. В двух самостоятельных источниках света, атомы излучают независимо друг от друга. Процесс излучения длиться очень короткое время τ ~ 10^-8с. За это время возбужденный атом возвращается в нормальное состояние и излучение прекращается. При каждом новом акте такого испускания меняется все время разность фаз между двумя последовательными излучениями, поэтому волны, спонтанно излучаемые атомами любого источника света не когерентны. Лишь в течение интервала времени примерно 10^-8с. они имеют приблизительно постоянные амплитуду и фазу колебаний. Прерывистое излучение света атомами, в виде отдельных коротких импульсов называется волновым цугом. Благодаря такому механизму испускания волновыми цугами, макроскопические тела излучает некогерентные волны.

Любой не монохроматический свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических цугов. Средняя продолжительность одного цуга называется временен когерентности. Когерентность существует только в пределах одного цуга и время когерентности не может превышать время излучения, то есть τ_ког < τ.

Если волна распространяется в однородной среде, то фаза колебаний в определенной точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности. За это время волна распространяется в вакууме на расстояние l_ког= с τ_ког, называемое длинной когерентности или длинной цуга. То есть длина когерентности есть расстояние при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Следовательно, наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, меньших длины когерентности для используемого источника света. ∆ < l_ког.

Чем ближе волна к монохроматической, тем меньше ширина спектра ее частот и больше ее время когерентности.

2. В природе часто можно наблюдать радужные окрашивания тонких пленок (мыльные пузыри, масляные пленки на воде, оксидные пленки на металлах и т.д.), возникающие в результате интерференции света отраженными двумя поверхностями пленок.

На плоскопараллельную прозрачную пленку с показателем преломления n и толщиной d под углом i падает плоская монохроматическая волна. Вышедшие из пленки лучи 1,2-когерентны, если оптическая разность их хода мала по сравнению с длинной когерентности падающей волны. Если на их пути поставить собирающую линзу, то они сойдутся в одной точке M фокальной плоскости линзы. В результате возникает интерференционная картина, которая определяется оптической разностью хода, между лучами 1 и 2.Для данного случая, когда n > n ₀

∆=2d

В точке М будит интерференционный максимум -

2d =2kгде (k=0.1.2…) (2.2)

Минимум-

2d =(2k+1); где (k = 0.1.2…)

Интерференция наблюдается если удвоенная толщина пластинки меньше длины когерентности 2d. < l_ког. В рассматриваемом случаи мы получили интерференцию в отраженном свети. Аналогичную картину можно получить и проходящем свете, собрав из пленки лучи прошедшие через неё.

Если бы пленка была идеально однородной и плоскопараллельной, а лучи идеально параллельными, то в монохроматическом свете мы увидели бы равномерно освещенную или затемненную пленку. Но в действительности неоднородности на которых меняется показатель преломления, изменяться толщина пленки, да и лучи не совсем параллельны, поэтому даже в монохроматическом свете видны причудливые сочетания минимумов и максимумов. Освещая, токую реальную пленку белыми лучами можно ожидать, что распределение минимумов и максимумов будет для каждого цвета свой. Близкие цвета будут соседями и вся картина радужно окраситься. Частным случаем такой интерференции являются кольца Ньютона.

3.

Рис3.

Из формул 2.2 и 2.3 следует-

Интерференционная картина в плоскопараллельных пластинках определяется l₀, d, n, i.для данных l₀ каждому наклону i соответствует своя интерференционная полоска.

Интерференционные полосы возникающие при наложении лучей падающим под одинаковыми углами называются полосами равного наклона. Параллельные лучи 1 и 2 штриха соберутся в фокусе линзы F.В эту же точку придут, и другие лучи параллельные лучу 1.В результате чего увеличится общая интенсивность. Лучи наклоненные под другим углом (луч3) собираться в другой точке линзы. Если оптическая ось линзы перпендикулярна поверхности пластинки, то полосы равного наклона будут иметь вид с центром в фокусе линзы.

4.рис2

На клин с углом наклона α падают параллельные лучи 1и2.При определенном взаимном положении клина и линзы лучи 1^'и1^" пересекутся в некоторой точке A,являющиеся изображением точки B.

Так как лучи когерентны они будут интерферировать.

Если источник расположен далеко от поверхности клина и угол α ничтожно мал то оптическую разность хода можно вычислить по формуле 2.1. Где d-толщина клина вместе падения на него луча. Лучи 2'и 2" образованные от луча 2 падающего в другие точки клина соберутся линзой в точке A'.Оптическая разность хода определяется уже толщиной d'. Таким образом, на экране возникает система интерференционных полос. Каждая из полос возникает при отражении от мест пластинки, имеющих одинаковую толщину.

Опр. Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины называется полосами равной толщины. Так как грани клина не параллельны между собой, то лучи 1'и 1"(2'и 2") пересекаются в близи пластинки. В нашем случаи над ней, при другой конфигурации могут и под пластинкой. Таким образом, полосы равной толщины локализованы в близи поверхности клина. Если свет падает на пластину нормально, то полосы равной толщины локализуются на верхней поверхности клина.

Классическим примером полос равной толщины являются так называемые Кольца Ньютона. Она наблюдается при отражении света от воздушного зазора образовавшегося между плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плоско выпуклой линзой с большим радиусом кривизны.

4.1 кольца Ньютона. (С/р.)

5. Явлен интерференции обусловлено волновой природой света и применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн (интерференционная спектроскопия), для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высоко отражающих покрытий.

Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу, стекло - воздух сопровождается отражение примерно 4% падающего потока. Объективы приборов содержат большое количество линз, следовательно, число отражений в них велико, то есть велики потери светового потока. Таким образом интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражение от поверхности линз приводят к возникновению бликов, что не желательно.

Для устранения этих недостатков осуществляется так называемое просветление оптики (рис. 9).

Рис.9

На свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показ преломления n < n_с. при отражении света от границ раздела воздух-пленка и пленка-стекло, возникает интерференция когерентных лучей 1' и 2'.Толщину пленки d и показатель преломления стекла n_с можно подобрать так, чтобы волны от обеих поверхностей пленки гасили друг друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая разность хода . Амплитуды отраженных лучей равны если n =

так как n >условие минимума для нормально падающего света, то есть i = 0, выполняется если ….(2.5)

где nd - оптическая толщина пленки. если выполняются эти условия (2.4 и 2.5).

то в результате интерференции наблюдается гашение отраженных лучей. Так как добиться одновременного гашения всех длин волн не возможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом длины волны l₀» 0,55 мкм. Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синевато красный оттенок.

Дата добавления: 2014-01-11