Материалы инженерно-rеолоrических изысканий

Прежде чем приступить к проектированию зданий и сооружений, необходимо иметь информацию о геологических, гидрогeoлогических условиях района строительства и свойствах грунтов строительной площадки. для этого на строительной площадке проводят инженерно-геологические изыскания. Они включают проведение следующих работ: бурение скважин и разработку шурфов, обяза­тельный отбор образцов с целью выяснения гeoлогического строения и особенностей напластования, лабораторные исследования для установления физико-механических свойств грунтов..

Методика и последовательность работ при инженерно-геолоческих и лабораторных исследованиях изложены в курсах «Инженерная геология» и «Mexaникa грунтов».

Материалы инженерно-геологических изысканий должны включать данные об особенностях геологического строения и напластования грунтов на строительной площадке, сведения о мощности отдельных пластов грунта, основные классификационные показатель, позволяющие судить о физико-механических характеристиках грунтов, на основе которых дается оценка деформативных и прочностных свойств оснований. Особое внимание следует обращать на гидрогеологические условия района строительства, на установившийся уровень подземных вод, на причины, которые могут вызвать его колебание, а также наинизшую и наивысшую отметку возможных колебаний. Важно знать о возможности образования в основаниях aгpeccивных сред, формирующихся в результате проникновения в грунты химических веществ. Если на строительной площадке имеются уже построенные здания, необходимо знать о времени возведения и конструктивных особенностях их фундаментов, чтобы судить о взаимном влиянии проектируемых и существующих сооружений.

Особое внимание следует обращать на возможность протекания различных физико-механических процессов в районе предполагаемого строительства, которые могут оказать существенное влияние на эксплуатацию фундаментов, а также самих зданий и сооружений. Необходимо учитывать вероятность образования оползней; явления просадочности, свойственные лёссовым грунтам при замачивании и вечномерзлым - при оттаивании; явления ycaдке и набухания грунтов в результате изменения климатических и гидрогеологических режимов; сейсмические явления, способные повлечь за собой разжижение водонасыщенных песчаных грунтов; морозное пучение, которое может вызвать значительные деформации фундаментов зданий и сооружений.

Материалы инженерно-геологических изысканий включают топографичeский план участка строительства с указанием рельефа и горизонталей уже существующих и проектируемых зданий. На плане указывают геологические выработки (скважины, шурфы и штольни), геолого-литологические разрезы и профили с указанием абсолютных отметок, уровень вод и его колебания. Этот иллюстративный материал дополняют пояснительной запиской, В кoторой излагаются общая инженерно-геологическая oцeнкa строительной площадки; возможность проявления физико-геологичесхих процессов и их последствия; общая oцeнкa особенностей напластования грунтов, особенностей их свойств и возможности использования в качестве оснований сооружений; описание условий проведения работ по инженерной подготовке территории застройки и возведе­нию фундаментов; данные для расчета прочности устойчивости и деформируемости оснований.

Объем и содержание инженерно-геологических изысканий зависят от степени изученности района строительства, сложности геологического строения исследуемого района, стадии проектирования, особенностей возводимого здания или сооружения и регламентируются действующими ГОСТами.

1.3. Физические свойства грунтов и их строительная классификация

Грунты состоят из твердых минеральных частиц, жидкости и газа и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Грунты различают по многим признакам, наиболее важными из которых являются их физические и механические свойства..

Для оценки и классификации грунтов оснований образцы, полученные в результате инженерно-геологичесхих изысканий, подвергают лабораторным исследованиям. Образцы грунта должны иметь ненарушенную структуру, для этого их отбирают из относительно больших по объему образцов грунта (монолитов), полученных из шурфов и скважин.

После лабораторных исследований полученные физические характеристики сопоставляют с классификационными для качественной оценки свойств грунтов и возможности их использовании для оснований сооружений. Соотношение между фазами во многом определяют физические свойства грунтов.

В результате лабораторных исследований определяют три основных показателя: плотность грунта ненарушенной структуры р, которая равна отношению массы образца грунта к его объему; плотнoсть твердых частиц Рs, равную отношению массы твердых частиц к их объему, и природную влажность W, равную отношению массы содержашейся в грунте воды к массе твердых частиц.

Образец грунта объемом V и массой m состоит из трех частей: объема V_s, занятого твердыми частицами m_s объема V_w. Занятого водой массой mw, и объема V_g занятого газом массой m_g которая в силу своей малости в расчетах не учитывается. Тогда в соответст­вии с вышеприведенными определениями

ρ=(m_s+m_w)/(V_s+V_v+V_g); ρ_s=m_s/V_s; w=m_w/m_s (1.1)

Для более полной оценки свойств грунтов помимо основных используют и дополнительные физические характеристики: гранулометрический состав, плотность грунта в сухом состоянии, коэффициент пористости, степень влажности, число пластичности и показатель текучести.

Грануломеmрuческuй состав характеризует содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. Он определяется просеиванием через стандартные сита. В зависимости от содержания в грунте частиц различных размеров определяют степень неоднородности гранулометрического состава:

c_v=d₆₀/d₁₀ (1.2)

где d60 и d10 - диаметры частиц, мм, мельче которых в грунте содержится соответственно 60 и 10% (по массе) частиц. Чем мeнъшe с_v, тем однороднее грунт, при с_v>3 песчаные грунты принято считать неоднородными.

Плотность грунта в сухом состоянии ρ_d равна отношению массы твердых частиц к объему грунта ненарушенной структуры:

ρ_d=ρ/ (1 +w). (1.3)

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твсрдых частиц:

e=(ρ_z-ρ_d)/ρ_d. (1.4)

Пористость n = 1 - ρ_d/ρ_z,

Cmeпeнь влажности - отношение природной влажности к вла­жности, соответствующей полному водонасъпцeнию Wsat:

S_r= W/W_sat= wρ_s/eρ_w, (1.5)

где ρw - плотность воды.

Число пластичности - характеристика, с помощью которой определяю, наименование пылевато-глинистого грунта:

I_p=w_L-w_p, (1.6)

где w _L - влажность на границе текучести, при которой стандартный конус погружается в образец грунта на глубину 10 мм;

w_p - влажность на границе раскатывания, при которой грунт теряет возможность раскатываться в шнур диаметром 2...3 ММ.

Показатель текучести оценивает степень пластичности пылеватоглинистого грунта:

I_L=(w-w_р)/(w_L -w_p). (1.7)

для расчета оснований важно знать удельный вес грунта, твер­дых частиц и грунта в сухом состоянии:

γ=gp; γs=gp₂; γ_d=gγ_d. (1.8)

где g - ускорение свободного падения.

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды определяют по формуле γ_sb=(γ_s-γ_w)/(1+e) (1.9)

Грунтам оснований зданий и сооружений даются наименования в описаниях результатов изысканий, проектах оснований и фундаментов в соответствии с классификацией, установленной ГОСТ25100 - 82. В соответствии с данной классификацией различают скальные и нескалъные грунты.

К скальным грунтам оснований относят изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. их подразделяют в зависимости от предела прочности одноосному сжатию Rc. коэффициента размягчаемости k_saf (отношение сопротивлений одноосному сжатию в водонасыщенном и сухом состоянии) и степени выветрелости k, (отношения массы образца выветрелого грунта по массе невыветрелого образца того же грунта).

По пределу прочности одноосному сжатию различают скальные грунты очень прочные (Rc > 120 МПа), прочные (120 ≥Rc >50 МПа), средней прочности (50≥ Rc > 15 МПа), малопрочные (15 ≥Rc ≥ 5 МПа), пониженной прочности (5 >Rc ≥ 3 МПа), низкой прочности (3 > Rc ≥ 1 МПа), весьма низкой прочности Rc < 1 МПа. По коэффициенту размягчаемости грунты бывают неразмягчаемые (k_saf ≥ О,75) не размягчаемые (k_saf <O,75). По степени выветрелости скальные грунты разделяют на не выветрелые (монолитные при k_v=I), слабовыветрелые (трещиноватые 11> k_v ≥ О,9), выветрелые (O,9> k_v ≥ 0,8) и слабовыветрелые (рухляки - k_v <0,8).

Для скальных пород, способных растворяться в воде, следует устанавливать степень, их растворимости. В большинстве случаев скальные грунты являются надежными основаниями.

К нескальным грунтам относят крупнообломочные - несцементированные - грунты, содержащие обломки кристаллических или осадочных горных пород с размером частиц более 2 мм – больше чем 50% по массе; песчаные - сыпучие в сухом состоянии грунты, которые содержат частицы крупнее 2 мм менее чем 50% по массе и не обладают пластичными свойcтвами (I_p<0,01); пылевато-гли-нистые - связные грунты, имеющие число плacтичности I_p ≥ 0,01.

Крyпнообломочные и песчаные грунты в зависимости от гранулометрического состава классифицируются в соответствии с дан­ными табл. 1.1.

Грунты	Размеры частиц, мм	Содержание частиц по массе, %
Крупнообломочные: валунные галечниковые гравийные	>200 >10 >2	>50 >50 >50
Песчаные: гравелистые крупные средней крупности мелкие пылеватые	>2 >0,5 >0,25 >0,1 >0,1	>25 >50 >50 ≥75 <75

При наличии в крупно обломочном грунте более 40% песчаного заполнителя или более 30% пылевато-глинистого от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании грунта приводится вид заполнителя с указанием характеристик последнего.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты различают в соответствии с табл. 1.2.

крупнообломочные и песчаные грунты	степень влажности
маловлажные влажные насыщенные водой	0<Sr ≤0,5 0,5<Sr ≤0,8 0,8<Sr ≤1

Основания, сложенные крупнообломочными грунтами, как правило, являются надежными. Прочность крyпнообломочных грунтов снижается при увеличении коэффициента выветрелости, окатанности частиц и количества глинистого заполнителя. Наличие в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя практически не снижает его сопротивляемость внешним нагрузкам. При общей оценке оснований, состоящих из крупнообломочных грунтов, необходимо учитывать условия образования и характер залегания пластов. При наклонном залегании и наличии песчаных и глинистых прослоек могут образовываться поверхности скольжения, существенно снижающие устойчивость основания.

По плотности сложения песчаные грунты оцениваются следующим образом (табл. 1.3).

Пески	Значение e для песков
плотных	средней плотности	рыхлых
Гравелистые, крупные, средней крупности Мелкие Пылеватые	e < 0.55   e < 0.6 e < 0.6	0.55≤e≤ 0.7   0.6 ≤e≤0.75 0.6 ≤e≤ 0.8	e > 0.7   e > 0.75 e >0.8

Плотность сложения является очень важной характеристикой при оценке свойств песчаных оснований. Иногда плотность сложения определяют статическим и динамическим зондированием.

Песчаные грунты, как и крупнообломочные, в большинстве случаев являются надежными основаниями. С увеличением размеров частиц и плотности сложения прочность и устойчивость песчаных оснований возрастают, а их деформации затухают достаточно быстро.

Пески гравелистые, крупные и средней крупности, имеющие плотную и среднюю плотность сложения, хорошо сопротивляются действию внешней нагрузки, претерпевая при этом незначительные деформации. Рыхлые пески слабо сопротивляются внешним нагрузкам, и их использование в качестве оснований требует специального обоснования.

Обводнение гравелистых, крупных и мелких песков мало сказывается на их прочности, а пылеватые пески могут снижать свою прочность при увеличении влажности.

По числу пластичности грунты классифицируют по табл. 1.4.

грунт	Содержание пылевато-глинистых частиц по массе, %	Число пластичности Jp
Глина Суглинок Супесь песок	>30 30..10 10..3 <3	>0.17 0.17..0.07 0.07..0.01

По показателю текучести пылевато-глинистые грунты подразделяют в соответствии с данными, приведенными в табл. 1.5.

Несущая способность пылевато-глинистых грунтов во многом зависит от пористости и влажности, при уменьшении коэффициента пористости снижается и степень сжатия под действием внешней нагрузки. С увеличением пористости и влажности пылевато-глинистых грунтов уменьшается их сопротивляемость силовому воздействию, поэтому при проектировании фундаментов на основаниях из пылевато-глинистых грунтов следует учитывать изменение пористости и влажности в зависимости от гидрогеологических и климатических условий.

Пылевато-глинистый грунт	Показатель текучести JL	Пылевато-глинистый грунт	Показатель текучести JL
Супеси   твёрдые пластичные текучие	JL < 0 0 ≤ JL ≤ 1 JL > 1	Суглинки и глины   твёрдые полутвёрдые тугопластичные мягкопластичные текучепластичные текучие	JL < 0 0 ≤ JL ≤ 0.25 0.25 < JL ≤ 0.5 0.5 < JL ≤ 0.75 0.75 < JL ≤ 1 JL > 1

Твердые и полутвердые, пылевато-глинистые грунты являются надежными основаниями, в пластичном состоянии их используют в качестве оснований при условии, если величина осадки не превышает предельно допустимой, в текучепластичном и текучем состоянии пылевато-глинистые грунты используют для строительства только после специального обоснования, так как при действии даже небольших давлений эти грунты способны терять устойчивость.

Пылевато-глинистые грунты способны испытывать деформации, продолжающиеся в течение нескольких десятилетий, что необходимо учитывать при проектировании оснований. Среди пылевато-глинистых грунтов следует выделить особую категорию - илы, просадочные и набухающие грунты.

К илам относят пылевато-глинистые грунты в начальной стадии формирования, образовавшиеся как осадок в воде при воздействии микробиологических процессов. Такие грунты обладают большой пористостью и анизотропией. Использование илистых грунтов в основании сооружений требует специального обоснования в силу их незначительной прочности, обусловливаемой только структурными связями.

Просадочными называют грунты, которые под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании дают значительную дополнительную осадку (просадку). Этим свойством обладают в основном лёссы и лёссовидные грунты. Такой вид грунтов имеет высокую пористостъ (> 0,44) и в необводненном состоянии обладает достаточной несущей способностью, обусловливаемой прочностъю структурных связей. При замачивании эти связи нарушаются, происходит просадка с изменением внутренней структуры грунта.

При строительстве на просадочных грунтах осуществляется комплекс мероприятий, направленных на устранение или уменьшение влияния просадочности на здания и сооружения.

К набухающим относят грунты, способные при увлажнении или воздействии химических растворов увеличивать свой объем. Возможен и обратный процесс - уменьшение объема при снижении влажности, который называют усадкой. Основания, сложенные набухающими грунтами, рассчитывают по специальной методике, а при возведении фундаментов используют специальные конструктивные и эксплуатационные мероприятия.

Особую категорию грунтов составляют засоленные, биогенные, насыпные и вечномерзлые грунты. Засоленные грунты при длительной фильтрации воды способны испытывать дополнительную суффозионную осадку и снижать прочность в результате выщелачивания, подвергаться набуханию и просадке при замачивании и формировать aгрессивную среду, которая может оказать вредное воздействие на подземные конструкции сооружений. Биогенные грунты(торфы и сапропели) представляют собой смесь песчаных или глинистых грунтов с растительными остатками. Они характеризуются большой сжимаемостью медленным развитием осадок, анизотропией и возможностью формирования aгрессивныx сред по отношению к материалам подземных конструкций.

При проектировании оснований зданий и сооружений следует уделять особое внимание насыпным грунтам, если их используют в качестве оснований. Насыпные грунты имеют большую степень неоднородности, обусловливающей неравномерность сжимаемости, и способны изменять свойства при динамических воздействиях. В них могут содержаться органические включения, шлаки и глины, вызывающие снижение прочности, дополнительные осадки, набухание и ycaдкy.

Вечномерзлые грунты расположены в основном на севере, в районах Сибири и Дальнего Востока. Они характеризуются наличием в порах воды, которая находится в замерзшем состоянии, что во многом и определяет их свойства. Изменение температурного режима вечномерзлого грунта может вызвать eго оттаивание, приводящее к возникновению дополнительных осадок.

Дата добавления: 2014-01-04