Структурно-неустойчивые грунты

Перечень понятий, формул, основных закономерностей, методов практических расчетов и лабораторной практики, требуемых к освоению

 

Основы строительного грунтоведения

ТЕРМИНЫИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Грунтами называют любые горные породы коры выветривания земли - сыпучие или связные, прочность связей у которых между частицами во много раз меньше, чем прочность самих минеральных частиц, или эти связи между частицами отсутствуют вовсе. Есть и другое определение грунтов: это горные породы, являющиеся объектом инженерностроительной деятельности человека. Скальные породы и почвы также именуются грунтами.

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

В континентальных отложениях выделяют: аллювий (перенесен речными водными потоками); делювий(откладывается у склонов вблизи места возникновения); элювий (залегает в месте возникновения); эоловые отложения (перенос частиц осуществляется ветром); ледниковые и водноледниковые отложения.

Грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

 

Грунты могут служить:

1) материалом оснований зданий и сооружений;

2) средой для размещения в них сооружений;

3) материалом самого сооружения.

 

Грунт скальный - грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

Грунт полускальный - грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.

 

Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие (Rc ≥ 5 МПа - скальные грунты, Rc < 5 МПа – полускальные грунты).

 

Грунт дисперсный - грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.

Структура грунта - пространственная организация компонентов грунта,

характеризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта.

Текстура грунта - пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др).

Органическое вещество - органические соединения, входящие в состав грунта в виде неразложившихся остатков растительных и животных организмов, и также продуктов их разложения и преобразования.

Грунт глинистый - связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности Ip ≥1.

Песок - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % (Ip = 0).

Грунт крупнообломочный - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %..

Торф - органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % (по массе) и более органических веществ.

Грунт заторфованный - песок и глинистый грунт, содержащий в своем составе в сухой навеске от 10 до 50 % (по массе) торфа.

Грунт набухающий - грунт, который при замачивании водой или другой жидкостью увеличивается в объеме и имеет относительную деформацию набухания (в условиях свободного набухания) ε sw ≥ 0,04.

Грунт просадочный - грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки ε sl ≥ 0,01.

Грунт пучинистый - дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения _ fn _ 0,01.

Степень засоленности - характеристика, определяющая количество воднорастворимых солей в грунте Dsal, %.

Степень морозной пучинистости - характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения

Предел прочности грунта на одноосное сжатие Rc, МПа - отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади первоначального поперечного сечения.

Коэффициент выветрелости Кwr, д. е. - отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта.

Коэффициент размягчаемости в воде Кsoρ, д. е. - отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Степень растворимости в воде - характеристика, отражающая способность грунтов растворяться в воде и выражающаяся в количестве воднорастворимых солей, qsr, г/л.

Основанием называется массив грунта, находящийся непосредственно под сооружением и рядом с ним, который деформируется от усилий, передаваемых ему с помощью фундаментов. Если строительные свойства грунтов основания мы специально не улучшаем и не изменяем, то такое основание называется естественным в отличие от искусственного основания, в котором строительные свойства грунтов преднамеренно нами улучшены для того, чтобы уменьшить сжимаемость грунтов, увеличить их прочность, изменить водопроницаемость и др.

Грунты состоят из:

- твердых частиц;

- воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта);

- газов (в том числе и воздуха).

Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

Схема фазового состава грунта и поясняющие ее обозначения:

– полный объем грунта;

– полная масса данного объема грунта;

– объем твердых частиц грунта;

– масса твердых частиц грунта;

– объем пор грунта;

– объем воды в порах;

– масса воды в порах;

– объем воздуха в порах.

Характеристики грунтов

I. Физические характеристики – определяют плотность сложения, соотношение различных фаз (твердой – жидкой – газообразной), а также состояние грунта. Часть характеристик этой группы используется для классификации грунтов, т.е. для определения наименования грунта.

Обычно по способу определения эти группу характеристики делят еще на 2 подгруппы:

1) основные характеристики, определяемые в результате стандартных (по ГОСТ) манипуляций с пробами грунта

2) 2) вычисляемые характеристики, вычисляемые по значениям основных; именно вычисляемые характеристики в основном служат в качестве квалификационных параметров грунта;

 

2. Механические характеристики (параметры) – используются для расчета прочности и деформации грунта, в том числе и во времени

3. Специальные характеристики (параметры) – определяются для специфических разновидностей грунтов (просадочные, набухающие, пучинистые)

 

Физические характеристики грунтов

Гранулометрический состав - количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.

.

В настоящее время принято следующее разделение частиц на фракции по их наибольшему размеру:

Таблица

Наимено-вание фракции	Крупнообломочные	Песчаные	Пыль	Глина
Валуны (Глыбы)	Галька (Щебень)	Гравий (Дресва)	Крупные	Средние	Мелкие
Размер,мм	>200.0	200.0-10.0	10.0-2.0	2.0-0.5	0.5-0.25	0.25-0.05	0.05-0.005	<0.005

 

Степень неоднородности гранулометрического состава Cu - показатель

неоднородности гранулометрического состава.

Крупнообломочные и песчаные грунты характеризуются также степенью неоднородности их зернового состава , определяемой по формуле:

 

, ()

 

где – диаметры частиц, меньше которых в исследуемом грунте содержится 60% и 10% частиц (по массе), соответственно (см. рис.13).

При пески считаются неоднородными по своему зерновому составу.

 

Плотностью грунта называется масса единицы его объема:

 

()

 

где – полная масса грунта данного объема, г (т);

– масса sтвердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, г (т);

– масса воды, содержащейся в порах грунта данного объема, г (т);

– полный объем грунта, см³ (м³);

– объем твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, см³ (м³);

– объем пор в данном объеме грунта, см³ (м³).

 

Удельным весом грунта называется вес единицы его объема:

 

()

 

где g=9.80665 м/с² – ускорение свободного падения.

Для определения плотности используется метод режущего кольца или метод парафирования.

 

Влажностью грунта называется отношение массы воды, содержащейся в порах грунта, к массе твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме:

 

()

 

где – масса воды в грунте, г (т);

– масса твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, г (т);

 

Характерными влажностями называются пограничные влажности между разными состояниями грунта по влажности,

 

Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое состояние и наоборот, называется влажностью на границе пластичности (раскатывания) w_p.

 

Влажность, при которой пылевато-глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее и наоборот, называется влажностью на границе текучести w_L.

 

Диапазон влажности, при котором грунт находится в пластичном состоянии, равен разности влажностей на пределах текучести и пластичности, и называется числом пластичности I_p, т.е.:

 

()

 

где – влажность на границе текучести грунта, %;

– влажность на границе пластичности (раскатывания) грунта, %;

Число пластичности зависит от количества глинистых частиц в грунте.

В соответствии с ГОСТ 25100-96 пылевато – глинистые грунты по числу пластичности подразделяются на супеси, суглинки и глины.

 

Состояние пылевато-глинистого грунта по влажности удобно характеризовать показателем текучести I_L, определяемым по формуле:

 

()

 

где – влажность грунта в естественном состоянии (см. работу 2), %;

– влажность на границе пластичности (раскатывания) грунта, %;

– число пластичности грунта.

 

Пылевато-глинистые грунты различаются по консистенции, характеризуемой показателем текучести I_L следующим образом:

 

Таблица

Разновидность пылевато-глинистых грунтов	Показатель текучести
Супеси: твердые пластичные текучие
Суглинки и глины: твердые полутвердые тугопластичные мягкопластичные текуче-пластичные текучие

 

Плотность частиц грунта называется масса единицы объема твердых частиц:

 

()

 

где – масса твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, г (т);

– объем твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, см³ (м³).

Величина плотности частиц грунта зависит от минерального состава твердой фазы и колеблется в небольших пределах: 2.65 г/см³ – для песков; 2.70 г/см³ –для супесей и суглинков; 2.80 г/см³ – для глин.

Удельный весом частиц грунта _s называется вес единицы объема твердых частиц:

 

()

 

где g=9.80665 м/с² – ускорение свободного падения.

Степень водопроницаемости - характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации К ф, м/сут. Определяется по ГОСТ 25584.

 

Вычисление производных физических характеристик грунта

Производные характеристики грунта вычисляются по основным характеристиками ρ, ρ _s, w.

а) Плотность грунта в сухом состоянии ρ_d называется масса единицы объема сухого грунта природного сложения:

 

()

 

где – масса твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, г(т);

– объем грунта, см³ (м³).

Вычисляем по формуле:

 

()

 

где – плотность грунта, г/см³; (т/м³);

– влажность грунта, %.

 

б) Коэффициентом пористости е называется отношение объема пор к объему твердых частиц в данном объеме грунта:

 

()

 

где – объем пор в данном объеме грунта, см³ (м³);

– объем твердых частиц (скелета) грунта в данном объеме, см³ (м³);

 

Вычисляется по формуле:

 

()

 

где – плотность твердых частиц грунта, г/см³; (т/м³);

– плотность сухого грунта природного сложения, г/см³; (т/м³).

 

в) Пористость грунта n называется отношение объема пор в данном объеме грунта к этому объему:

 

()

 

где – общий объем грунта, см³ (м³).

Пористость грунта n тесно связана с коэффициентом пористости е и вычисляется по формуле:

 

()

 

 

Плотность грунта в сухом состоянии, пористость и коэффициент пористости характеризуют плотность сложения грунта. От плотности сложения существенно зависят его прочность и сжимаемость.

г) Степень влажности S_r называется степень заполнения объема пор грунта водой:

 

()

 

где – объем воды в порах данного объема грунта, см³ (м³);

– объем пор в данном объеме грунта, см³ (м³).

Вычисляется по формуле:

 

()

 

где – влажность грунта, %;

– плотность твердых частиц грунта, г/см³; (т/м³);

=1.0 г/см³; (т/м³) – плотность воды.

Наибольшее влияние степень влажности оказывает на строительные свойства песчаных грунтов.

По степени влажности песчаные и крупнообломочные грунты делятся на следующие разновидности:

маловлажные

влажные насыщенные водой

 

 

За показатель степени уплотнения грунта обычно принимают плотность грунта в сухом состоянии ρ_d.

Влажность, которая соответствует наибольшей влажности грунта при наименьшей затрате работы на уплотнение, называется оптимальной влажностью w_opt. Соответствующая ей плотность грунта в сухом состоянии называется максимальной плотностью ρ_{d мах}. Таким образом, оптимальная влажность грунта – это влажность, при которой грунт уплотняется лучше всего.

 

 

Рис.

. Зависимость плотности ρ_d от влажности w

 

 

Структурно-неустойчивые грунты

 

Просадочные грунты характеризуются:

Относительная деформация просадочности ε s, д. е. - отношение разности высот образцов, соответственно, природной влажности и после его полного водонасыщения при определенном давлении к высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 23161.

 

 

относительной просадочностью e_sl - относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания;

начальным просадочным давлением p_sl - минимальным давлением, при котором проявляются просадочные свойства грунтов при их полном водонасыщении;

начальной просадочной влажностью w_sl - минимальной влажностью, при которой проявляются просадочные свойства грунтов.

 

 

Относительная деформация набухания без нагрузки εsw, д. е. - отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 24143.

К пучинистым грунтам относятся пылевато-глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность выше определенного уровня..

. Пучинистые грунты характеризуются:

относительной деформацией морозного пучения e_fh - отношением подъема ненагруженной поверхности грунта к толщине промерзающего слоя;

давлением морозного пучения р_fh, нормальным к подошве фундамента;

удельным значением t_fh касательной силы морозного пучения, действующей вдоль боковой поверхности фундамента конструкций.