Основы грунтоведения

Грунтоведение – наука о грунтах, исследующая состав, состояние, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-строительной деятельностью человека. Грунтами называют любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды.

Грунты могут служить:

– материалом оснований сооружений,

– материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин),

– средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 классификация грунтов распространяется на все грунты и устанавливает их классификацию, применяемую при производстве инженерных изысканий, проектировании и строительстве зданий и сооружений. Грунты подразделяются на классы: скальные, дисперсные и мерзлые.

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

– класс (подкласс) – по природе структурных связей;

– тип (подтип) – по генезису;

– вид (подвид) – по вещественному, петрографическому или литологическому составу;

– разновидность – по количественным показателям состава, строения, состояния и свойств грунтов.

Скальные грунты обладают жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными).

Дисперсные грунты характеризуются физическими, физико-химическими или механическими структурными связями. Грунты с механическими структурными связями выделяют в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями в подкласс связных грунтов.

Мерзлые грунты, наряду с другими структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда). Грунты с криогенными и одновременно с кристализационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями – в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяют в подкласс ледяных грунтов.

Физические свойства грунтов

Плотность ρ – масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогического состава. Для дисперсных грунтов – ρ =1, 3–2, 0 г /см³, для скальных – ρ =2, 5–3, 3 г /см³.

Плотность частиц грунта ρ _s – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρ _s =2, 2–3, 2 г /см³.

Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при температуре 105–107 º С в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы.

Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц.

Значения плотности применяются для характеристики физических свойств грунта как основания или строительного материала, а также для расчетов при динамических нагрузках.

Водно-физические свойства грунтов

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Полная влагоемкость (W_П.В, д. е.)– максимальное содержание воды, содержащееся в породе,.

Коэффициент водонасыщения грунта, степень влажности, (S_r, д. е.) – степень заполнения объема пор водой

Критерии физического состояния глинистых грунтов – число пластичности (J_p;), показатель текучести (J_L,).

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси.

Пластичность – свойство грунтов изменять под действием внешних сил (давление) свою форму и размеры без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после снятия нагрузки.

Влажности, при которых грунт обладает пластичными свойствами, называют верхним и нижним пределом пластичности:

– верхний предел пластичности (W_L) – граница текучести соответствует влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

– нижний предел пластичности (W_p) – граница раскатывания соответствует влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём).

Число пластичности – разность между влажностью на границей текучести и влажностью на границей раскатывания. По числу пластичности глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины (прил. 2).

Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа и зависит:

– от гранулометрического состава,

– минералогического состава,

– структуры и текстуры пород.

Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические, и определяется только при разрушении грунта. Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа. Для скальных грунтов прочность характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие R_с (МПа).

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки), характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e_sw, – отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Набухание грунтов зависит:

– от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

– от химического состава воды, взаимодействующей с породой (бентонитовая глина увеличивается в объеме на 80 %, каолиновая на 25 %).

Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании и характеризуется относительной деформацией набухания без нагрузки e _sw, – отношение увеличения высоты образца грунта при замачивании после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности (прил. 2).

Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0, 05–0, 005 мм > 50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость более 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин возникают в результате электролиза, начинающегося при воздействии блуждающих электрических токов (трамваи, троллейбусы в городах), в результате чего происходит разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов.

Ил – водонасыщенный современный или древний нелитифицированный морской или пресноводный органо-минеральный осадок, содержащий более 3 % (по массе) органического вещества текучей консистенции, коэффициент пористости е ≥ 0, 9 и содержание частиц менее 0, 01 мм более 30%. Илы не выдерживают даже минимальные нагрузки, в результате которых выдавливаются, а при динамическом воздействии разжижаются.

При устройстве оснований сооружений ил заменяют на другой грунт, используют свайные основания, опирающиеся на прочные грунты, выполняют наброску камня или намывают слой песка.

Заторфованные грунты – песчаные или глинистые грунты, содержащие в своем составе торф (от 3 % для песка и от 5% для глинистого грунта до 50% по массе).

Торф – органический грунт, содержащий в своем составе более 50% (по массе) органического вещества_, характеризующийся высокой влажностью, сильной сжимаемостью, неравномерными осадками. При строительстве применяются свайные основания, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин.

Классификационные показатели скальных грунтов приведены в приложении 3, обломочных грунтов – в приложении 4.

Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами. Предел прочности скальных грунтов на одноосное сжатие R_c, (МПа) – отношение нагрузки, при которой происходит разрушение образца, к площади его первоначального поперечного сечения.

Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, К_wr,, как отношение плотности выветрелого грунта ρ _в к плотности невыветрелого грунта ρ _нв.

Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости К_sof, – отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

Степень растворимости в воде q_sr, г/л, – величина, отражающая способность грунта растворяться в воде при нормальных условиях за счет растворения неорганических и органических веществ, определяемая при соотношения грунта и воды 1: 5 и равная концентрации образующегося равновесного раствора.

Вопросы для самопроверки.

1. Определите класс, группу, подгруппу, тип для гнейса и алевролита по ГОСТ 25100-2011.

2. Дайте понятие плотности и пористости грунта.

3. Что такое пластичность и какие грунты обладают пластичностью?

4. Деформационные свойства грунтов, основные показатели?

5. Прочностные свойства грунтов, основные показатели.

6. В каких грунтах может возникнуть процесс набухания, в каких грунтах могут возникнуть просадки?

7. Что такое торф? Особенности строительства на заторфованных грунтах.