Тема: Введение. Природа грунтов и их физические свойства

Лекция №1.

Ключевые слова: Твердые частицы, минералогический состав, прочносвязанная вода, рыхлосязанная вода, газообразные включения, структурные связи, строение грунтов, водно-коллоидные силы, физико-механические свойства, структура, структурная прочность грунтов, текстуры, удельный вес частиц грунта, влажность, коэффициент пористости, удельный вес сухого грунта, степень влажности, полная влагоемкость, маловлажные, влажные, насыщенные водой, взвешивающие действие воды.

Составные элементы грунтов. Основными элементами грунтов являются твердые частицы, вода и газообразные включения.

Твердые частицы представляют собой систему мине­ральных зерен, различных по форме, составу, размер которых изменяется от нескольких сантиметров до мельчайших частиц коллоидного порядка (менее 1 мк). Важнейшей характеристи­кой твердых частиц является минералогический состав, который во многом определяет физико-механические свойства грунтов. Чем меньше размер минеральных частиц, тем больше их удель­ная поверхность. С уменьшением размеров частиц возрастает число центров взаимодействия в контакте между зернами и окружающей их водой.

Вода в грунтах подразделяется на связанную и свободную. Минеральные частицы грунта заряжены отрицательно, а моле­кулы воды представляют собой диполи, положительно заряжен­ные на одном конце (атомом кислорода) н отрицательно на дру­гом (два атома водорода). За счет электромолекулярных сил воздействия диполи воды притягиваются с огромной силой к ми­неральным частицам и образуют слой прочносвяэанной (адсорбировинной) воды. Электромолекулярные силы взаимодействия у поверхности минеральных частиц составляют величину поряд­ка нескольких сотен МПа. Поэтому близкие к минеральным ча­стицам молекулы воды толщиной 1... 3 ряда невозможно отде­лить ни внешним давлением, ни действием напора воды. Следу­ющие слои молекул воды по мере удаления от поверхности грун­товых частиц связываются меньшими силами взаимодействия в образуют слой рыхлосвязанной (лиосорбированной) воды. Он» могут быть выделены из пор грунта давлением порядка несколь­ких МПа. Молекулы воды, которые находятся вне области элек­тромолекулярных сил взаимодействия, образуют воду свобод­ную (по проф. А. Ф. Лебедеву), которая передвигается в грунте под действием разности напора, и капиллярную, поднимающую­ся на некоторую высоту от уровня грунтовых вод впорах грун­та за счет сил капиллярного натяжения.

Газообразные включения в грунте могут находиться в замкнутом (защемленном, располагающемся в порах грунта), свободном (соединяющимся с атмосферой) состояниях и раство­ренными в поровой воде.

Структурные связи и строение грунтов. Прочностные свойства дисперсных грунтов во многом опре­деляются структурными связями между отдельными минераль­ными частицами и их агрегатами. В основе этих связей лежат молекулярные силы электромагнитной природы и комплекс действующих в грунте внешних и внутренних энергетических полей. Молекулярные силы могут возникать лишь при очень тесных контактах между твердыми частицами (силы Ван-дер-Ваальса) и расстояниях между ними порядка нескольких рядов» молекул (не более десятка). Такие расстояния возможны в грун­тах, подвергавшихся значительным давлениям, или в грунтах, имеющих значительную влажность и плотность, у которых под влиянием внешнего воздействия пленки связанной воды и кол­лоидные оболочки продавлены.

Структурные связи в грунтах зависят от свойств минераль­ных частиц и водных растворов, заполняющих поры, условий первичного накопления минеральных осадков и т. д. Различа­ются следующие основные виды структурных связей в грунтам: 1) водно-коллоидные — формируются в результате электромо­лекулярных сил взаимодействия между минеральными частица­ми и пленками воды и коллоидными оболочками. Водно-колло­идные силы становятся тем больше, чем тоньше водно-коллоид­ные оболочки, и наоборот. Такие связи пластичны и обратимы, при увеличении влажности уменьшаются и могут быть близки­ми к нулю; 2) кристаллизационные — образуются под воздей­ствием сил химического сродства, образуя с минеральными частицами новые прочные и хрупкие поликристалли­ческие соединения. Большое влияние на физико-механические свойства грунтов оказы­вает их структура. По ГОСТ 25100—82 структу­ра—особенности строения грунта, обусловленные размерами и формой час­тиц, характером, их по­верхности, количествен­ным соотношением слага­ющих грунт элементов (минеральных частиц или агрегатов частиц) и ха­рактером их взаимодейст­вия друг с другом. Соглас­но А. К. Ларионову, струк­тура определяется количественным и морфологическим взаимоотношением твердой, жидкой и газообразных частиц, образующих грунт. Природная струк­тура, состав грунтов и их состояние определяют в основном де­формационно-прочностные свойства грунтов как оснований со­оружений.

Рис. 1.1.Схема структур по выделенным

классам: I- раздельно-зернистый;

II- зернистопленчатый; III- агрегативный;

IV- слитный; - пленки на зернах

Важной характеристикой является структурная прочность грунтов и устойчивость структурных связей под влиянием внешних воздействий.

Для оценки строительных свойств грунтов весьма важным является определение их текстуры (сложения). Под текстурой ^подразумевается пространственное размещение и взаимное рас­положение частиц грунтов и агрегатов, характеризующих неод­нородность толщи в пласте. Существуют следующие виды тек­стуры грунтов: 1) слоистая (тонко- и глубокослоистые, ленточ­ные, косослойные, сланцевые и пр.); 2) слитная (массивная и скрыто-слоистая); 3) сыпучая — для несвязных грунтов.

Характеристики физических свойств грунтов. Для оценки строительных свойств грунтов используются ха­рактеристики физико-технических свойств, которые подразделяются на две группы:

основные — характеристики физических свойств, определяемые на основе ла­бораторных исследований; расчетные —характе­ристики физических свойств, определяемые рас­четом. В лабораторных условиях определяется удель­ный вес грунтов, удельный вес частиц грунта и влажность. Удельный вес представляет собой вес единицы объема грунта в естественном состоянии (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема составных частей грунта

Если обозначить через V₁ —объем. твердых частиц, V₂ — объем пор, q₁ — вес твердых частиц, q₂ — вес воды в порах грунта (вес воздуха не учитывается), то удельный вес грунта как отношение веса грунта (включая вес воды) к за­нимаемому объему можно выразить так:

. (1.1)

Удельный вес частиц грунта определяется отношением ве­са сухого грунта к объему, занимаемому частицами грунта:

. (1.2)

Влажность (весовая) W — отношение веса воды к весу твер­дых частиц:

W=q₂/q₁ (1.3)

Расчетной характеристикой грунтов является коэффициент пористости е — отношение объема пор к объему минеральной части грунта:

e=n/m, (1.4)

где п — объем пор в единице объема грунта; m — объем твер­дых частиц в единице объема грунта;

п+т=1. (1.5)

Объем твердых частиц в единичном объеме грунта

, (1.6)

где у_а — удельный вес сухого грунта.

Выполнив простейшие преобразования, получим

. (1.7)

Удельный вес сухого грунта можно определить из условия

,(1.8)
откуда

. (1.9)

Решая систему уравнений (1.4) и (1.5), получим:

п=е/(1+е); (1.10)

m =1/(1+е). (1.11)

Степенью влажности грунта называется отношение природ­ной влажности к его полной влагоемкости:

S_r=w/w_sat. (1.12)

Полная влагоемкость представляет собой такую влажность, когда все поры грунта заполнены водой:

w_sat=ey_wly_s, (1.13)

где y_w — удельный вес воды, равный 1.

После подстановки значения w_sat в формулу (1.12) получим

. (1.14)

По ГОСТ 25100—82 крупнообломочные и песчаные грунты по степени влажности подразделяются на: маловлажные — 0< S_г 0,5; влажные — 0,5<S_г 0,8; насыщенные водой 0,8<S_Г 1.

Грунты, залегающие ниже уровня подземных вод, находятся в состоянии грунтовой массы и испытывают взвешивающее дей­ствие воды. Удельный вес грунта, облегченного весом вытеснен­ной воды,

. (1.15)

Дата добавления: 2015-06-04