Умови утворення ґрунтів. Фізичні властивості

Типи ґрунтів, властивості та класифікація.

Знання умов утворення ґрунтів та їх властивостей дозволяє якісніше та надійніше виконувати інженерно-геологічні вишукування для різних видів будівництва.

Ґрунт – це будь-яка гірська порода, що являє собою багатокомпонентну систему, яка змінюється з часом і використовується як основа, середовище або матеріал для зведення будівель і споруд.

Відомо, що гірські породи літосфери не зберігають свого первинного стану, а постійно змінюються під дією фізичних та хімічних чинників (процес вивітрювання). Відбувається їх подрібнення, розпушування, перенесення водою та вітром.

За походженням (генезисом) гірські породи бувають магматичними, метаморфічними, осадовими та штучними. Магматичні (вивержені) породи утворились внаслідок охолодження і кристалізації магми в надрах землі (інтрузивні, глибинні) та на поверхні (ефузивні, поверхневі). Через те, що умови охолодження різні, в першому випадку відбувається повна розкристалізація магми і утворюються щільні масивні породи типу граніту, габро та ін. У другому випадку формування порід відбувається в умовах низького тиску і температури, при швидкому охолодженні та виділенні газів, що призводить до утворення порід з великою кількістю аморфного скла, часто з великою пористістю (пемза, лава та ін.). Осадові породи, що утворилися внаслідок руйнування (вивітрювання) гірських порід і осідання продуктів вивітрювання із води або повітря, поділяються на зцементовані (уламкові, хімічні та біохімічні скельні ґрунти) та незцементовані (нескельні ґрунти) континентального і морського походження. Метаморфічні породи – це перетворені (змінені) під дією високих температур, високого тиску та хімічно-активних речовин, магматичні та осадові породи.

Ґрунти є переважно трьохфазними системами, вони складені твердими мінеральними частками, пори між якими заповнені водою та газами. Будівельні властивості ґрунтів визначаються мінералогічним та гранулометричним складом, структурою, текстурою та їх станом в умовах природного залягання. За складом виділяють 4 групи природних утворень:

1) первинні мінерали (кварц, шпати...);

2) пилувато-глинисті (вторинні) мінерали, солі (карбонати, сульфати...);

3) органо-мінеральні сполуки;

4) органічні сполуки.

Властивості ґрунтів залежать у значній мірі від їх внутрішньої будови та складу в масиві, тобто, структури та текстури. Структура – це особливості будови ґрунту, зумовлені розміром та формою часток, характером їх поверхні, кількісним співвідношенням складових частин (мінералів і т.п.) та характером їх взаємодії. Розрізняють 2 види (основних) структурних зв’язків: кристалізаційні (жорсткі, крихкі, незворотні) та водоколоїдні (м’які, в’язкопластичні, зворотні).

Текстура – це просторове розміщення елементів ґрунту з різним складом та властивостями. Розрізняють зливну текстуру (щільну) в скельних ґрунтах, складну та шарувату в нескельних.

При інженерно-геологічних вишукуваннях відносно збереження природної структури та текстури ґрунтів визначають умови непорушеного та порушеного стану.

Для нескельних подрібнених (дисперсних) ґрунтів важливою характеристикою є щільність. Розрізняють види щільності:

- щільність часток ґрунту –відношення маси сухого ґрунту (без маси води в порах) до об’єму твердих часток ґрунту;

- щільність сухого ґрунту - відношення маси сухого ґрунту (виключаючи масу води в порах) до об’єму цього ґрунту (з урахуванням об’єму пор);

- щільність ґрунту у природному стані - відношення маси ґрунту (включаючи масу води в порах) до загального об’єму ґрунту. Щільність часток піщаних ґрунтів дорівнює 2,65…2,67 г/см, пилувато-глинистих 2,68...2,76 г/см

При інженерних вишукуваннях щільність ґрунтів визначають шляхом добору проб непорушеного стану та подальшого дослідження в лабораторних умовах.

В польових умовах щільність ґрунту визначається зондуванням та радіоізотопними методами, а для грубоуламкових – штамповим методом.

Щільність (ступінь ущільненості) характеризується пористістю „n” – відношенням об’єму пор (які займає вода та газ) до об’єму ґрунту, або коефіцієнтом пористості „е” – відношенням об’єму пор до об’єму твердих часток.

Природна вологість „w” ґрунтів визначається шляхом висушування проб ґрунту при температурі 105С до постійної маси. Відношення різниці мас до та після висушування до маси абсолютно сухого ґрунту дає значення вологості (у відсотках або в долях одиниці). Відношення природної вологості до вологості ґрунту у стані повного водонасичення називається інтенсивністю (ступенем) вологості „ Sr”. Вологість піщаних ґрунтів змінюється в незначній мірі і практично не впливає на механічні властивості ґрунтів.

Показники пластичності пилувато-глинистих ґрунтів залежать від вологості на межі текучості та розкочування Wp і характеризують ґрунт відповідно на межі між пластичним і текучим та між твердим і пластичним станом. Різниця між цими показниками називається числом пластичності „”, за яким визначають вид пилувато-глинистих ґрунтів (супісок, суглинок, глина). Стан зв’язного ґрунту в залежності від його вологості визначається показником текучості:

, або

Високі значення показників та властиві для ґрунтів з великим вмістом глинистих часток.

3.2.2. Загальна схема класифікації ґрунтів при інженерно-геологічних вишукуваннях.

При інженерно-геологічних вишукуваннях ґрунти поділяють на 2 класи: скельні (з жорсткими структурними зв’язками) та нескельні (без жорстких структурних зв’язків).

Серед скельних ґрунтів виділяють групи ґрунтів (за походженням): магматичні, метаморфічні, осадові зцементовані та штучні, видозмінені у природному заляганні. Кожна з цих груп поділяється на підгрупи (за умовами утворення – інтрузивні, ефузивні, уламкові, хімічні, біохімічні та ін.), які в свою чергу поділяються на типи (за петрографічним та гранулометричним складом, ступенем їх неоднорідності), види (за структурою, текстурою, складом цементуючої речовини, за способами утворення). Скельні ґрунти поділяються на різновиди за міцністю, засоленістю (2% і більше), ступенем розм’якшення, розчинністю, температурою.

Класифікація скельних ґрунтів.

Таблиця 3.2.

ГРУНТ	ПОКАЗНИК
1. За межею міцності на одноосне стиснення у водонасиченому стані, МПа.
А. Скельні ґрунти Дуже міцний Міцний Середньої міцності Малої міцності   Б. Напівскельні ґрунти Зниженої міцності Низької міцності Дуже низької міцності	>120 120>50 50>15 15>5     5>3 3>1 <1
2. За коефіцієнтом розм’якшення у воді
Нерозм’якливий Poзм’якливий
3. За ступенем розчинності у воді (осадові зцементовані), г/л.
Нерозчинні Важкорозчинні Середньорозчинні Легкорозчинні	< 0,01 0,01 …1,0 1,0 … 10,0 > 10,0
4. За ступенем засоленості.
Незасолені   Засолені	Вміст розчинних солей менше 2% від маси сухого ґрунту. Те ж - >2%
5. За температурою та вмістом льоду.
Ні мерзлі (талий стан) Мерзлі Морозяні	t 0 t < 0,із вмістом льоду t < 0, не містять льоду
6. За ступенем вивітрілості
Невивітрілі (монолітні) Слабко вивітрілі (тріщинуваті) Вивітрілі Дуже вивітрілі (рухляки)	KWT =1 1> KWT 0,9 0,9 > KWT 0,8 KWT < 0,8

_{Примітка. 1. - межа міцності на одноосне стиснення у водонасиченому стані;}

_{2. - те ж, у повітряно-сухому стані;}

_{3. - відношення щільності зразка ґрунту вивітрілого до щільності зразка невивітрілого ґрунту.}

Напівскельні ґрунти (глинисті сланці, піщаники з глинистим цементом, алевроліти, аргіліти, мергелі, крейда, вапняки, доломіти) відзначаються значним зниженням міцності (удвічі) при водонасиченні.

Скельні штучні (зцементовані та незцементовані) виділяються за способом перетворення шляхом закріплення (цементація, силікатизація, бітумізація, смолизація, та ін.). Міцність їх визначають у закріпленому стані.

Нескельні ґрунти поділяються на 2 групи: осадові незцементовані та штучні. Незцементовані ґрунти поділяються на грубоуламкові, піщані, пилувато-глинисті, біогенні та грунтово-рослинні утворення. До штучних належать: ущільнені в умовах природного залягання, насипні та намивні.

Грубоуламкові та піщані класифікуються за гранулометричним складом (табл.. 3.3.) та за ступенем вологості (табл.. 3.4.).

Грубоуламкові бувають із піщаним або з пилувато-глинистим заповнювачем. У випадках, коли ці ґрунти містять більш як 40% піщаного або більш як 30% пилувато-глинистого заповнювача, властивості їх визначають шляхом дослідження заповнювача і в назві ґрунтів вказують його вид.

Коли заповнювача менше, властивості грубоуламкових ґрунтів визначають дослідженням ґрунтів у цілому. Для ґрунтів елювіального походження у вигляді брил, уламків з піщано-пилувато-глинистим заповнювачем слід оцінювати ступінь їх вивітрілості . За ці ґрунти бувають:

- не вивітрілі – 0 <0,33;

- слабко вивітрілі – 0,33<0,67;

- дуже вивітрілі - 0,67<<1.

Значення встановлюють шляхом дослідження відібраних із масиву проб непорушеного ґрунту (масою 2...2,5 кг), які містять великі уламки і заповнювач, на розтирання при обертанні у поличковому барабані. Значення визначається за формулою

;

де – відношення маси часток розміром менше 2мм до маси часток розміром більше 2 мм після дослідження на розтирання;

- те ж, до дослідження на стирання.

За ступенем засоленості грубоуламкові та піщані ґрунти поділяються на незасолені та засолені. Грубоуламкові ґрунти вважають засоленими, якщо сумарний вміст легко – та середньо- розчинних солей (% від маси абсолютно сухого ґрунту) дорівнює або більше:

- 2% при кількості піщаного заповнювача < 40% або пилувато-глинистого < 30%;

- 0,5% - при кількості піщаного заповнювача 40% і більше;

- 5% - при кількості пилувато-глинистого заповнювача 30% і більше.

Піщані ґрунти відносять до засолених, коли сумарний вміст солей досягає 0,5% та більше.

Основним показником, що визначає міцність та деформаційність, для піщаних ґрунтів є щільність будови. Щільність будови пісків характеризує коефіцієнт пористості „е”, питомий опір ґрунту при статичному зондуванні „” та умовний опір ґрунту при динамічному зондуванні „” (табл.. 3.5.). Щільність будови пісків допускається також визначати радіоізотопним та іншими методами.

При відносному вмісту органічних речовин піски відносять до ґрунтів з домішкою органічних речовин.

Таблиця 3.3.

Класифікація грубоуламкових та піщаних ґрунтів за гранулометричним складом.

№ п/п	Ґрунт (тип)	Розмір часток, мм	Маса часток, % від маси повітряно-сухого ґрунту.
1.     2.	Грубоуламковий валунний (бриловий) гальковий (щебенистий) гравійний (жорствяний)   Пісок гравелистий велико зернистий середньозернистий дрібнозернистий пилуватий	> 200 > 10 > 2     > 2 > 0,5 0,25 0,1 0,1	> 50 > 50 > 50     > 25 > 50 > 50 > 75 < 0,75

Таблиця 3.4.

Класифікація грубоуламкових та піщаних ґрунтів за ступенем вологості „”

№ п/п	Ґрунт (різновид)	Ступінь вологості
1.	Маловологий
2.	Вологий
3.	Насичений водою

Таблиця 3.5.

№ п/п	Піски (тип, вид та різновид)	Щільність будови
щільний	середньої щільності	пухкий
І. За коефіцієнтом пористості „е”
1.	Гравелистий, велико – та середньозернистий.	e<0,55		e>0,7
2.	Дрібнозернистий	e<0,6		e>0,75
3.	Пилуватий	e<0,6		e>0,8
ІІ. За питомим опором ґрунту, МПа, під наконечником (конусом) зонда при статичному зондуванні.
1.	Велико- та середньозер-нистий незалежно від вологості
2.	Дрібнозернистий незалежно від вологості
3.	Пилуватий: маловологий та вологий водонасичений
ІІІ. За умовним динамічним опором ґрунту, МПа, зануренню зонда при динамічному зондуванні.
1.	Велико- та середньозернистий незалежно від вологості.
2.	Дрібнозернистий: маловологий та вологий водонасичений.
3.	Пилуватий маловологий та вологий.

Пилувато-глинисті грунти поділяють за числом пластичності Iр (табл. 3.6.) та за консистенцією, що характеризується показником текучості (табл.3.7.).

Таблиця 3.6.

Класифікація пилувато-глинистих грунтів за числом пластичності.

№	Грунт (тип)	Число пластичності Iр=WL - Wр
	Супісок	1 £ Iр £ 7
	Суглинок	7< Iр £ 17
	Глина	Iр > 0,17

Таблиця 3.7.

Класифікація пилувато-глинистих грунтів за показником текучості.

№	Стан грунту	Показник текучості IL = W-Wp / WL - Wp
	Супісок: -твердий -пластичний -текучий	IL < 1 0 £ IL £ 1 IL > 1
	Суглинок та глина: -твердий -напівтвердий -тугопластичний -м’якопластичний -текучопластичний -текучий	IL < 1 0 £ IL £ 0,25 0,25 < IL £ 0,5 0,5 < IL £ 0,75 0,75 < IL £ 1,0 IL > 0

Серед пилувато-глинистих грунтів є грунти, що мають додаткові специфічні властивості при замочуванні їх водою: це просадкові та грунти, що набрякають. Просадкові грунти під дією зовнішнього навантаження або власної ваги при замочуванні водою здатні до додаткових осідань (просідань). При цьому відносна просадковість їх e_sl ³ 0,01. Грунти, що набрякають при замочувані водою або хімічними розчинами збільшуються в об’ємі; відносне набрякання без навантаження e_sw ³ 0,04.

Значення e_sl та e_sw визначаються за формулами:

e_sl = (h _nop - h _sat,р) / h _n,q (3,3)

e_sw = (h _sat,р - h _n,p) / h _n,p (3,4)

де: h _n,p та h _sat,р – висоти зразка відповідно природної вологості та після його повного водонасичення під дією тиску “Р”, що дорівнює: для просадкових грунтів сумі вертикальної напруги від дії зовнішнього навантаження “s_zp” та власної ваги грунту “s_zq”, а для грунтів, що набрякають, додатково враховують вертикальний тиск, викликаний впливом ваги незволоженого грунту за межами площі замочування;

h _n,q – висота того ж зразка природної вологості при Р = s_zq.

До окремої підгрупи пилувато-глинистих грунтів наледжать лeсові грунти та мул. Лeсові грунти – це макропористі грунти, що містять більш як 50 % пилуватих часток (розміром 0,05 - 0, 005 мм), карбонати кальцію та розчинні солі, у маловологому стані здатні утримувати вертикальні схили, а при замочуванні водою легко розмокають, розмиваються та просідають. При повному водонасиченні здатні переходити у пливунний стан. Лeсові грунти поділяються на низькопористі (е ³ 0,8) та високопористі (е>0,8). За попередніми оцінками допросадкових грунтів відносять леси та лесоподібні суглинки із ступенем вологості S_r< 0,8, для яких значення показника просадковості (попередні) визначають за формулою:

П = e_L –e / 1+e, (3,4)

де е – коефіцієнт пористості грунту природної будови і вологості; e_L – те ж, при вологості на межі текучості W_L; визначається за формулою: e_L = W_L* P_s / P_w

(P_w – щільність води г/см 3).

Грунти належать до просадкових при умові, що:

П < 0, 1 для 0,01 £ Iр < 0,1

П < 0, 17 для 0,01 £ Iр < 0,14

П < 0, 24 для 0,14 £ Iр < 0,22.

Мул– це водонасичений сучасний осад водоймищ, що утворився внаслідок мікробіологічних процесів. Мул має вологість, що перевищує вологість на межі текучості W_L та високу пористість. За коефіцієнтом пористості мули класифікують згідно з даними табл. 3.8.

Таблиця 3.8.

№ п/п	Мул	Коефіцієнт пористості е
	Супіщаний	е ³ 0,9
	Суглинистий	е ³ 1,0
	Глинистий	е ³ 1,5

До особливої групи серед нескельних грунтів відносять біогенні грунти (озерні, болотяні, озерно-болотяні та алювіально-болотяні), що відзначаються великим вмістом органічних речовин. До таких грунтів належать заторфовані грунти, торфи та сапропелі (табл.3.9, 3.10).

Таблиця 3.9.

Класифікація заторфованих грунтів та сапропелів за відносним вмістом органічної речовини.

№ п/п	Грунти	Відносний вміст органіки Iоm = mов / m
Заторфовані грунти
	Слабкозаторфовані	0,10 < Iоm £ 0,25
	Середньозаторфовані	0,25 < Iоm £ 0,40
	Дужезаторфовані	0,40 < Iоm <0,50
Сапропель
	Мінеральний	0,10 < Iоm £ 0,30
	Середньомінеральний	0,30 < Iоm £ 0,5
	Слабкомінеральний	0,50 < Iоm

Таблиця 3.10.

Класифікація торфів за ступенем розкладення органічної речовини.

№ п/п	Торф	Ступінь розкладення органічної речовини Ddp = mp / m
	Слабкорозкладений	Ddp £ 20
	Середньорозкладений	20 < Ddp £ 45
	Дужерозкладений	Ddp > 45

До назви пилувато-глинистих грунтів (супісків, суглинків та глин) додають “із домішкою органічних речовин”, коли ступінь розкладення їх знаходиться у межах 0,05< I_оm £ 0,1, а до назви піщаних – коли 0,03< I_оm £ 0,1.

Із табл. 3.9, 3.10 видно, що до заторфованих грунтів відносять піщані та пилувато-глинисті грунти, що містять у своєму складі 10…50% (за масою) органічних речовин, а вразі їх вмісту більш як 50% грунти відносять до торфів.

Сапропелі (табл. 3.9.) – це прісноводні мули, що містять більш як 10% органічних речовин та мають коефіцієнт пористості е ³ 3, а показник текучості I_L>1.

Грунт, (грунтово-рослинний шар) – це природне утворення, поверхневий родючий шар земної кори.

Спостерігається інколи кілька горизонтів цих грунтів, які виникли внаслідок складної взаємодії материнських гірських порід, клімату, рел’єфу місцевості, рослинного та тваринного світу. Грунти поділяють за гранулометричим складом по аналогії з грубоуламковими та піщаними, а за числом пластичності, як пилувато-глинисті.

До нескельних штучних грунтів відносять ущільнені у природному заляганні різними методами, насипні та намивні грунти. Ці грунти в залежності від складу та стану характеризуються так, як і природні нескельні грунти.

Скельні та нескельні грунти, що мають негативну температуру та містять у своєму складі лід, належать до мерзлих грунтів, а якщо вони перебувають у мерзлому стані більше трьох років, то належать до вічномерзлих; властивості останніх визначаються у розмороженому стані.

До комплексу інженерно-геологічних вишукувань входить не тільки вивчення природи грунтів та їх фізичних властивостей, але також і визначення в польових та лабораторних умовах їх механічних характеристик, тобто поводження пористих пухких та мінерально-дисперсних утворень під дією зовнішніх навантажень або при зміні їх фізичного стану. До основних механічних властивостей грунтів належать такі: стисливість, опір грунтів зсуву та зміна водопроникності.

Узальнюючою характеристикою стисливості (деформованості) грунту є модуль деформації Е, мПа, який визанчається в лабораторних та польових умовах у діапазоні тиску 0,1…0,3 мПа, де криволінійна залежність між тиском та деформацією вважається прямолінійною.

У практиці проектування показники міцності грунтів оцінюються їх опором зсуву (дотичні напруги), що залежать від опору тертя твердих часток (j, град) по поверхні сповзання (ковзання) – це внутрішнє тертя та опору зв’язності (С, кПа) часток – внутрішне зчеплення.

Особливою механічною властивістю грунтів є зміна водопроникності, яка оцінюєтся коефіцієнтом фільтрації К_ф, м/добу. Значення К_ф залежить від пористості (розмірів пор) або від ступеня ущільненості грунтів, а також від наявності початкового градієнту напору (для тугопластичних та напівтвердих глин).

Показники механічних характеристик грунтів Е, С, j, К_ф визначаються при інженерно – геологічних вишукуваннях в польових та лабораторних умовах. Ці характеристики використовують для розрахунків основ, будівель і споруд.

Дата добавления: 2014-01-11