Грунт как объект исследования

Грунтаминазывают любые горные породы, которые в инженерно-строительной деятельности человека используются в качестве оснований сооружений, среды, в которой сооружения возводятся, или материала для сооружений.

По своему происхождению и условиям формирования грунты разделяются на континентальные и морские отложения.

К континентальным отложениям относятся: элювиальные, делювиальные, аллювиальные, ледниковые, водно-ледниковые – пески и галечники; озерно-ледниковые – ленточные глины, суглинки и супеси; эоловые, которые представляют собой продукты физического выветривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями - лессовые грунты и пески дюн и барханов.

Элювиальные отложения залегают в месте первоначального их возникновения. Делювиальные отложения располагаются на склонах той же возвышенности, где они возникли, и перемещаются только под действием силы тяжести и атмосферных вод.

Аллювиальные отложения переносятся водными потоками на значительные расстояния и образуют мощные слоистые толщи.

Ледниковые отложения образовались в результате действия ледников – валунные глины и суглинки (морены).

К морским отложениям относятся толщи дисперсных глин, органогенных грунтов ракушечников, органо-минеральные образования – илы, заторфованные грунты, различные пески и галечники.

По своему происхождению грунты подразделяются на:

- магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;

- осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные грунты;

- метаморфические, которые образовались в результате действия на метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших давлений; они классифицируются как скальные грунты.

Грунты подразделяются на два класса: скальные (грунты с прочными связями) и нескальные (грунты без прочных связей).

Под прочными связями следует понимать такие, прочность которых сопоставима с прочностью отдельных минеральных частиц.

В соответствии со строительной классификацией грунты подразделяются
на скальные, крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые. Скальные
грунты детально изучаются в связи со строительством подземных горных
выработок в курсе «Механика горных пород». В механике грунтов предметом
исследований являются последние три вида грунтов. Нескальные грунты образовались в результате длительного физического и химического выветриваний прочных осадочных скальных пород, вызвавших их разрушение. При этом крупнообломочные и песчаные грунты объединяются в группу несвязных или сыпучих грунтов, а пылевато-глинистые грунты рассматриваются как связные.

Грунты чаще всего являются наиболее «молодыми» осадочными отложениями и относятся к четвертичной геологической системе.

Грунты образуются из:

- первичных минералов (кварц, полевые шпаты, слюда и др.);

- вторичных глинистых минералов (монтмориллонит, каоли­нит), образовавшихся в процессе выветривания горных пород;

- солей (сульфатов, карбонатов);

- органических веществ.

При рассмотрении свойств грунтов следует различать их крайние разновидности – грунты типа песков и грунты типа глин. Между песками и глинами существуют промежуточные разновидности грунтов – супеси, суглинки. Свойства грунтов этих разновидностей зависят от содержания в их составе песчаных и глинистых частиц.

Крупнообломочные частицы имеют размер крупнее 2 мм, песчаные -от 2 мм до 0,05 мм, пылеватые от 0,05 мм до,0,005 мм глинистые менее 0,005 мм; частицы мельче 0,0001 мм называются коллоидными.

Песчаные частицы имеют удельную поверхность до 0,05 м²/г. Глинистые частицы имеют удельную поверхность у каолинита до 10 м²/г и у монтмориллонита до 800 м²/г.

С позиций общей механики грунт (рис. 1) представляет собой сложную термодинамическую систему, которая по принятой классификации является многофазной и неоднородной.

В составе объема грунта присутствуют вещества в трех фазовых состояниях: минеральные частицы (твердая фаза); грунтовая вода (жидкая фаза); газ и пар (газообразная фаза). Минеральные частицы могут иметь размеры от десятков миллиметров до долей микрона. Это порождает большое разнообразие видов грунта, существенно отличающихся своими свойствами. Пространство между минеральными частицами, заполненное водой, газом или паром, называют порами. Давление в порах называют поровым давлением. Оно может относиться исключительно к воде, если все поры заполнены водой, исключительно к газу при отсутствии воды в порах или к поверхности раздела фаз «вода - газ (пар)». Газ и пар могут также содержаться в пузырьках или в растворенном (газ) в воде виде. Систему минеральных частиц, составляющих грунт, называют его скелетом. Между минеральными частицами грунта могут существовать цементационные или коллоидные связи, прочность которых определяет степень связности грунта. Природа этих связей, называемых структурными, как и любых связей в твердом теле, электрическая. Микроскопические свойства грунта, включая взаимодействия составляющих его компонентов на молекулярном уровне, изучаются в курсе «Грунтоведение». Если напряжения в скелете грунта не превышают прочности связей между минеральными частицами (эта прочность называется структурной), скелет деформируется упруго. Напряжения в скелете в общем случае не совпадают с поровым давлением. Сопротивление грунта нагружению определяется суммой напряжений в скелете и порового давления.

В зависимости от температуры и давления компоненты, составляющие грунт, могут претерпевать процессы фазовых переходов. Например, при низких температурах грунтовая вода может частично переходить в лед (твердая фаза). При извлечении образца грунта с большой глубины происходит его упругое расширение в связи с уменьшением напряжений на поверхности выделенного объема до нуля. Расширение грунта может привести к отрицательному (по сравнению с атмосферным) значению порового давления. В результате этого могут протекать процессы газовыделения из поровой воды и превращения части поровой воды в пар (парообразование). Наоборот, при повышении порового давления могут наблюдаться процессы газорастворения и конденсации пара. Эти процессы существенно зависят от температуры и учитываются при расчетах гидротехнических сооружений.

Грунт является открытой термодинамической системой в отношении процессов массопереноса (воды или минеральных частиц). Явление массопереноса в форме движения поровой воды учитывается в теории фильтрационной консолидации грунтов (выдавливание воды из пор при уменьшении их объема под действием нагрузки). Явление массопереноса в форме перемещения минеральных частиц грунта учитывается при изучении суффозионных процессов в грунтах (вымыв из грунта компонентов скелета под воздействием фильтрационного потока). Минеральные частицы специфических грунтов, а также связи между ними могут состоять из растворимых солей. В этом случае миграция поровой воды может приводить к химической суффозии (растворение и перенос вещества в растворенном виде). Присутствие в поровой воде растворов солей, кислот и щелочей делает ее агрессивной по отношению к конструкциям фундаментов.

Отмеченные здесь особенности поведения грунтов при изменении давлений и температуры изучаются в специальных разделах механики грунтов. Классическая механика грунтов основана на ряде следующих допущений:

а) грунт деформируется как квазиоднородное упругое тело, если
напряжения в скелете грунта не превышают его структурную прочность;

б) поровая вода является несжимаемой;

в) присутствие в порах газа и пара не оказывает существенного влияния на
процесс деформирования грунта;

г) сжимаемость минеральных частиц грунта пренебрежимо мала;

д) деформируемость грунта под нагрузкой обусловлена, в основном,
переупаковкой скелета после разрушения структурных связей, приводящей к
изменению объема пор.

Под структурой грунта понимается размер, форма и коли­чественное (процентное) соотношение слагающих грунт частиц.

Под текстурой грунта понимается пространственное располо­жение элементов грунта с разными составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания. Текстура бывает массивной, слоистой и сетчатой.

Например, в озерах ледникового периода образовывались пылевато-глинистые отложения с характерной слоистой текстурой. Они представляют собой чередующиеся тонкие слои из глинистых частиц, выпадавших в зимний период подо льдом, и из пылеватых песчаных частиц, оседавших в теплый период года.

Различают слоистую, слитную и сложную текстуру: слоистая — наиболее распространенный вид сложения грунтов, характерный для морских, озерных и других отложений; слитная присуща морским отложениям, имеющим однородное сложение в различных точках массива; сложная — порфировая, ячеистая, макропористая и др. (порфировой текстурой обладают моренные суглинки; ячеистая текстура характерна для вечномерзлых грунтов, имеющих вертикальные и горизонтальные полости, заполненные льдом, макропористую текстуру имеют лессовые грунты).

Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на жесткие (кристаллизационные) и пластичные, вязкие связи (водно-коллоидные). Жесткие связи более характерны для скальных грунтов, пластичные связи - глав­ным образом для глинистых грунтов.

Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нераство­римыми. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водно-коллоидные связи.

Грунты могут служить:

- основанием зданий и сооружений;

- средой для размещения в них сооружений, (труб, подземных сооружений, тоннелей, станций метрополитена и др.);

- материалом для сооружений (насыпи, земляные плотины, сырье для изготовления стройматериалов).

1.3. Основные характеристики грунта, определяющие его свойства

В данном разделе содержатся теоретические обобщения сведений о свойствах грунтов, приведенных в курсе «Инженерные изыскания в строительстве». Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта. Физические характеристики подразделяются на основные, производные и классификационные. Основными являются характеристики, определяемые из опыта. Остальные физические характеристики являются расчетными.

Физические свойства грунта. Удельным (ранее объемным) весом грунта γ называется отношение полного веса образца грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [кН/м³].

Удельным весом сухого грунта γ_d называется отношение веса высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор.

Удельным весом частиц грунта γ_s (ранее назывался, удельным весом грунта) называется отношение веса частиц грунта к объему, который они занимают. Размерность [кН/м³].

Таблица 1

Основные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность грунта	ρ	кг/м^3	ρ = G/ V
Удельный вес грунта	γ	Кн/м^3	γ = ρ·g
Плотность частиц грунта	ρs	кг/м^3	ρs = Gs/ Vs
Удельный вес частиц грунта	γs	Кн/м^3	γs = ps ·g
Влажность грунта	W	безразмерна	W = (G – Gs)/ Gs = Gw / Gs
Влажность на границе пластичности	Wp	безразмерна	Wp = Gw,p / Gs
Влажность на границе текучести	Wl	безразмерна	Wl = Gw,l / Gs

Влажность грунта W бывает весовой и объемной. Весовой влажностью называется отношение веса воды в образце грунта к весу твердых частиц грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта). Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например у ила, торфа). Поэтому:

W = (γ – γ_d)/ γ_d. (1)

Пористостью п грунта называется отношение объема пор полному объему образца грунта. Коэффициентом пористости е или относительной пористостью называется отношение объема пор образце к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетов то есть:

e = n/(1– n) (2)

Теоретически пористость п изменяется в пределах от нуля (поры отсутствуют) до единицы (скелет отсутствует). Соответственно коэффициент пористости е изменяется от нуля (поры отсутствуют) до бесконечности (скелет отсутствует). Пористость не может быть больше единицы, в то время как коэффициент пористости может быть больше единицы (например, у лессов, торфа). Коэффициент пористости равен единице, если объем пор равен объему, занятому твердыми частицами.

Удельный вес грунта γ зависит от удельного веса частиц грун­та γ_s, его пористости п и влажности W.

Удельный вес частиц грунта γ_s зависит от минералогического состава скелета грунта и степени их дисперсности. У глин он больше, чем у песка при одних и тех же образующих грунт ми­нералах. В глинистом грунте поверхность частиц намного больше, чем в песчаном, поэтому и большая возможность окисления и проявления поверхностных явлений. Удельный вес частиц грунта γ_s, от его пористости п не зависит.

Таблица 2

Производные физические характеристики грунта

Наименование	Обозначение	Размерность	Формула для вычисления
Плотность сухого грунта	pd	кг/м^3	pd = Gs / V = p / (1+W)
Удельный вес сухого грунта	γd	кг/м^3	γd = pd · g = γ / (1+W)
Коэффициент пористости	e	безразмерна	e = Vn / Vs = (ps - pd) / pd = ps / pd - 1
Пористость	n	безразмерна	n = Vn / V = (ps - pd) / ps = 1 - pd / ps

Коэффициентом (индексом) водонасыщенности, или степенью
влажности грунта, называется отношение природной влажности
грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор
водойй, W_Sat. Коэффициент водонасыщенности S_r изменяется от нуля
(для абсолютно сухого грунта) до единицы (для полностью
водонасыщенного грунта). Он вычисляется по формуле:

S_r = W/ W_Sat (3)

Грунты называются:

- маловлажными при S_r <0,5;

- влажными при 0,5< S_r <0,8;

- насыщенными водой при S_r > 0,8.

Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту одного и того же наименования и установления его состояния вне зависимости от того, кем и в каких целях они производятся. Наименование и состояние грунта устанавливают по классификационным показателям.

Механические свойства грунта. В закономерностях механики грунтов используются количественные показатели механических свойств различных грунтов, получаемые экспериментальным путем.

Образцы грунта для проведения экспериментальных исследований не могут быть изготовлены в лаборатории искусственно, т.к. невозможно воспроизвести природные тела, созданные многовековой историей их образования и существования. Поэтому испытания проводят на образцах грунта, тщательно отобранных в полевых условиях, т.е. стараются сохранить природную структуру, пористость, влажность, взаиморасположение частиц (на образцах ненарушенной структуры). Исключение составляют исследования грунтов как строительных материалов для земляных сооружений. В этих случаях испытания проводятся на образцах нарушенной структуры, соответствующей фактическому состоянию грунта в земляном сооружении.

При исследовании влияния внешних воздействий на грунты как сложные минеральнодисперсные пористые тела выявлены следующие особенности их поведения под нагрузкой:

1) изменение пористости, а, следовательно, и водопроницаемости грунта под действием внешнего давления;

2) ухудшение водопроницаемости из-за наличия в тонкодисперсных грунтах прочно- и рыхлосвязанной воды;

3) незначительная деформируемость самих грунтовых частиц по сравнению с деформируемостью пор.

Первые две особенности значительно осложняют расчеты, а пренебрежение ими придает практическим расчетам некоторую условность.

Деформируемостью грунтовых частиц при расчетах можно пренебречь.

Таблица 3

Основные закономерности механики грунтов, описывающие механические свойства

Свойство	Закономерность	Показатели	Практические приложения
Сжимаемость	Закон уплотнения	Коэффициент сжимаемости mo	Расчет осадок фундаментов
Водопрони-цаемость	Закон ламинарной фильтрации	Коэффициент фильтрации Кф	Прогноз скорости осадок водонасы-щенных грунтовых оснований
Контактная сопротив-ляемость сдвигу	Предельное сопротивление сдвигу. Условие прочности	Коэффициент внутреннего трения φ и сцепление С	Расчеты предельной прочности, устойчивости и давления на ограждения
Структурно-фазовая деформи-руемость	Принцип общей и линейной деформируемости	Модули деформируемости Е, Ео	Определение напряжений и деформаций грунтов

Перечисленные зависимости являются важнейшими закономерностями, описывающими механические свойства дисперсных тел, какими являются грунты.

Сжимаемость грунтов, обусловленная изменением их пористости, т.е. их общего объема, под действием внешних сил, является свойством лишь дисперсных материалов, которое не учитывается в механике сплошных сред.

Водопроницаемость является свойством всех пористых тел, однако для грунтов это величина переменная.

Для сыпучих грунтов контактная сопротивляемость сдвигу обусловлена внутренним трением, для связных грунтов – трением и сцеплением.

Структурно-фазовая деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости их структурных связей, так и от деформируемости отдельных компонентов, слагающих грунт.

Дата добавления: 2014-11-29