Механічні властивості інженерних ґрунтів

Механічні властивості визначають поведінку інженерних ґрунтів при зміні зовнішніх умов (під навантаженням). Цілком очевидне значення оцінки цих властивостей для вирішення конкретних господарських завдань, наприклад, для будівництва. В той же час механічні властивості становлять неабиякий інтерес для інженерної геології, оскільки вони допомагають визначити межі можливої трансформації грунтів при зведені гідротехнічних споруд. З огляду на спрямування цієї роботи, нас цікавлять два головні показники механічних властивостей ґрунтів - опір ґрунтів стискуванню і зсуву.

Опір інженерних ґрунтів стискуванню визначається здатністю ґрунтів зменшуватися в об'ємі під дією зовнішніх навантажень. Ущільнення ґрунтів залежить, головним чином, від двох факторів - величини навантаження та пористості ґрунту (адже саме за рахунок закриття порожнин відбувається ущільнення ґрунту). Для оцінки цього параметра взірці ґрунту проходять спеціальні компресійні випробування (вимірювання показників пористості при поступовому збільшенні навантажень), за наслідками яких будується компресійна крива або крива ущільнення ґрунту (мал.9). По цій кривій визначають значення коефіцієнтів пористості (e) при різних величинах навантажень (P) і обчислюють коефіцієнт ущільнення ґрунту (а, см2/кг):

а = (e1- e2) / (P2- P1) (2)

За величинами коефіцієнта ущільнення ґрунти поділяються на нестисливі (a < 0, 001 см2/кг; це - щільні скельні ґрунти), слабостисливі (a = 0, 001-0, 01 см2/кг; тріщинуваті скельні породи), середньо-стисливі (a = 0, 01-0, 1 см2/кг - деякі різновиди пісків, гравій тощо), сильностисливі (a > 0, 1 см2/кг - глинисті ґрунти, окремі піщані породи). Ущільнення ґрунтів проявляється як безпосередньо (через збільшення їх стійкості до руйнування зовнішніми агентами), так і через побічний вплив (наприклад, через зміну характеру циркуляції підземних вод у приповерхневому шарі кори).

Особливе місце займає оцінка ущільнення лесових порід, якими вкрита більша частина території України (мал.10), під впливом так званого осідання лесів (рос.-" просадочность лессов"). І хоч осідання лесоподібних грунтів головним чином зумовлю­ється проникненням у їх товщу води, під дією якої руйнуються внутрішні зв'язки порід, практика інженерно-геологічних досліджень перед­бачає і оцінку осідання лесів під впливом навантажень. Окрему інженерну проблему становить вивчення осідання лесів при проектуванні водогосподарських заходів, зокрема меліоративних і гідротехнічних робіт. Основним кількісним показником ущільнення лесових ґрунтів виступає так зване відносне осідання (δ пр):

δ пр = (h1- h2) / ho (3)

де ho - висота взірця лесу у природному стані, см;

h1 - висота того ж взірця, насиченого водою, см;

h2 - висота насиченого водою взірця під навантаженням, см.

Просадковими вважаються лесові ґрунти, для яких δ пр> 0, 02. Такі ґрунти потребують додаткових заходів для підвищення стійкості (трамбування, попереднє змочування тощо). На територіях, де поширені просадкові ґрунти, більш активно протікають ерозійні процеси (площинний змив, лінійна ерозія тощо), утворюються своєрідні форми поверхні (мікрозападини, степові поди тощо).

Опір інженерних ґрунтів зсуву є одним з важливих розрахункових показників при оцінці стійкості природних схилів та штучних укосів (борти каналів, стінки кар'єрів тощо). У розсипчастих ґрунтах (піски) опір зсуву зумовлюється лише тертям між окремими частинками, в той час як зв'язані породи (суглинки, глини) опираються зсувним зусиллям головним чином за рахунок сил зчеплення.

Для кількісних оцінок опору зсуву взірець ґрунту досліджують у спеціальних приладах (мал.11), вимірюючи величину зсувного зусилля (τ) в залежності від величини нормального наванта­ження (σ). За матеріалами досліду будують графік залежності τ = f (σ) (мал.12). Математично ця графічна залежність описується рівняннями:

- для глинистих порід 

τ  = σ f+C (4)

- для піщаних порід τ = σ f ()

У цих виразах f - коефіцієнт внутрішнього тертя, який визначається за залежністю:

f = tg φ (5)

(тут φ - кут внутрішнього тертя - див.мал.12)

C - зчеплення, кг/см2 (у незв'язних ґрунтах ця величина мізерна і на практиці приймається C=0).

Особливе геоморфологічне значення має згадуваний вище кут внутрішнього тертя (φ), який часто відображає похил природних схилів (для чистих пісків, наприклад, кут внутрішнього тертя прямо дорівнює куту природного укосу, який утворюється при вільному осипанні пісків на природних схилах). Оскільки зв'язаність розсипчастих порід може змінюватися в залежності від зволоження, насичення таких ґрунтів водою (після дощів, розтавання снігу тощо) позначається на змінах кутів внутрішнього тертя, а отже, призводить до переміщення мас уламкових порід на схилах (наприклад, так формуються осипи).

5.3. Щільність та пористість гірських порід, як інженерних ґрунтів

Гірські породи, як інженерні ґрунти, діляться на монолітні сцементовані і розсипчасті. У верхніх горизонтах земної кори моно­літні породи роз­биті мережею тріщин, в яких є певна кількість води і повітря. В зв’язку з цим усі породи і ґрунти розглядаються як три­фазні тіла, які складаються з твердої (мінеральних частинок), рідкої фази (води та інших рідин) та газів (повітря або інших природних газів). Взаємовід­ношення цих складових виражається через фізичні власти­вості: щіль­ність, щільність скелета (щільність абсолютно сухої поро­ди або ґрунту), густину твердої складової скелета, пористість (шпару­ватість), коефіцієнт пористості.

Щільність гірської породи, інженерного ґрунту та ґрунту (r) - це маса одиниці їх об’єму в природних умовах залягання, тобто в три­фазному стані, виражена в г/см³:

, г/см³, (6).

де g₁ – вага твердої складової породи; g₂ – вага води або іншої рідини; v ₁ – об’єм твердої складової породи або ґрунту; v₂ – об’єм пустот.

Для визначення щільності розсипчастих та м’яких і слабозцемен­тованих порід та інженерних ґрунтів (таких як піски, супіски, суглин­ки, леси, глини тощо) використовують ріжучі кільця або циліндри об’ємом v (частіше 50 см³). Відібраний таким чином зразок породи зважують (g_заг.) з точністю до 0, 01 г і визначають щільність за формулою

, г/см³. (7)

Щільність скелету породи та ґрунту (r_d) або як її називають щільність абсолютно сухого ґрунту або породи, це вага абсолютно сухого ґрунту або породи одиниці їх об’єму в природних умовах залягання. Для визначення щільності скелета використовують ту саму пробу, на якій визначали загальну щільність, тільки її висушують при температурі 105^о С для мінеральних ґрунтів, і 100^о С для порід з вмістом органічних речовин, до постійної ваги (g₁) і ділять її на об’єм циліндра v, яким відбиралася проба

, г/см³. (8)

Щільність твердих часток скелета (r_s) (густина твердих часток скелета) – це маса одиниці об’єму твердої складової в абсо­лютно сухому стані. Визначається вона шляхом роздроблення ґрунту або породи до найдрібніших частинок з наступним його висушуванням при температурі 105^оС до постійної ваги (g₁) та визначення загального об’єму цих частинок (v₁) в мірних циліндрах, заповнених інертними рідинами.

, г/cм³. (9)

Постільки визначення щільності твердої складової скелета досить складне і вимагає багато часу і крім того ця характеристика для одних і тих же ґрунтів і порід міняється в невеликих межах то для звичайних інженерно-геологічних і гідрогеологічних розрахунків приймають її середні значення для кожного виду ґрунту: пісків - 2, 64, супісків - 2, 70, суглинків - 2, 71 і глин - 2, 74 г/см³.

Пористість ґрунтів і гірських порід (n) це відношення сумарного об’єму пор до загального їх об’єму. Визначається за формулою

. (10)

Для ґрунтів без гравійно-галькових включень пористість можна визначати тільки за щільністю їх скелета за формулою автора

. (11)

Використовуючи формули (10) і (11) можна визначити щіль­ність твердих часток скелета за наступною формулою

. (12)

За розміром пори діляться на надкапілярні, діаметром більше 0, 5 мм, у яких рідина рухається вільно; на капілярні, 0, 0002 - 0, 5 мм, у яких рідина рухається з трудом і на субкапілярні, менше 0, 0002 мм, у яких рідина не рухається зовсім. Крім того, пори можуть бути з’єднані між собою і ізольовані (мал.13). В зв’язку з цим в практику вводять ще поняття відкритої або ефективної пористості, яка представляє собою відно­шення сумарного об’єму з’єднаних між собою пор діаметром більше 0, 0002 мм до загального об’єму гірської породи або ґрунту. Ця порис­тість визначає проникливість гірських порід та ґрунтів для рідин і газів.

В інженерній геології широко використовують ще коефіцієнт пористості (е), який представляє собою відношення сумарного об’єму пор до об’єму твердої складової гірської породи або ґрунту. Він визначається за формулою

(13)

Мал.13. Схематичне зображення різних видів пор у гірських породах (за М.Д.Будзом, 2005):

а – скельна порода з окремими структурними порами і тріщинами; б – та же порода з пористістю, збільшеною в результаті процесу вивітрювання; в – кавер­нозна порода з крупними пустотами, в якій проходить вилужування та розчи­нення; г – пухка піщана порода з відносно від­сортованими зернами і високою пористістю; д – пухка піщана порода з малою пористістю внаслідок нерівної зернистості; є – піщана порода з малою пористістю внаслідок утворення цементу та його нарощуванню навколо окремих зерен; ж – лесоподібна порода з мікро- і макропорис­тістю; з – глиниста мікропориста порода; і – глиниста порода з малою пористістю внаслідок ущільнення. Останні три породи показані зі значним збільшенням.

Крім пор в щільних скельних породах існують пустоти у вигляді тріщин, які ма­ють різну орієнтацію і розміри. За шириною вони діляться на тонкі, шириною до 2 мм, дрібні – 2-5 мм, середні – 5-20 мм, крупні – 20-100 мм, дуже крупні – шириною більше 100 мм. Для кількісної оцінки тріщинуватості використовують коефіцієнт тріщи­ну­ватості (К_тр), який представляє собою відношення площі тріщин у будь-якій площині гірської породи до загальної її площі. Для одержання цього коефі­цієнта проводять зарисовки природного або штучного відслонення гірських порід, а також їх зразків, відібраних зі свердловин, з дотри­манням масштабу. За величиною вказаного коефіцієнта гірські породи поділяють на: слабо тріщинуваті, К_т < 0, 02; середньо тріщинуваті, К_тр= 0, 02-0, 05; сильно тріщинуваті, К_тр= 0, 05-0, 1; дуже тріщинуваті, К_тр = 0, 1- 0, 2; надзвичайно тріщинуваті, К_тр > 0, 2.

В залежності від походження пори, тріщини та інші пустоти діля­ться на первинні і вторинні. Первинні утворюються одночасно з утво­ренням гірської породи. Це пустоти і пори між кристалами, зернами і частинками, які складають гірську породу; тріщини нашару­вання між площинами нашарування осадових гірських порід; пустоти після розкладання організмів; пустоти в деяких магматичних породах утворені при виділенні газів. Вторинні пустоти формуються в резуль­таті змін гірських порід після їх утворення. Головним чином це пусто­ти після розчинення водорозчинних складових, тріщини усихання, тектонічні тріщини та тріщини вивітрювання.

Крім пор і тріщин у гірських породах, в першу чергу осадових хімічних, існують пустоти діаметром більше одного мм, які називають кавернами. Ще більші пустоти у вигляді печер, тунелів, шахт і кри­ниць називають карстовими. Чіткої границі між кавернами і карсто­вими пустотами немає. Деякі дослідники до карстових відносять пустоти діаметром більше одного метра.

В цілому по відношенню до води, усі гірські породи поділяються на породи-колектори і водотривкі породи-водотриви. Породи-колек­тори це породи, які вміщують і пропускають через себе воду. Вони поділяються на порові, тріщинні, кавернозні та карстові. Крім них існують ще комбіновані породи-колектори: порово-тріщинні, порово-кавернозні, тріщинно-кавернозні та тріщинно-карстові. До водотрив­ких порід або водотривів відносяться ті, що не пропускають воду за рахунок відсутності з’єднаних між собою пор, тріщин та каверн або малого розміру пор, менше 0, 0002 мм. Крім того, всі гірські породи і ґрунти, які мають температуру нижче «0^о С», є водотривкими. Вода, замерзаючи в порах будь-яких порід, навіть розсипних, перетворює їх у водотриви.