Геотехника вопросы. 1. Состав грунтов. Классификация грунтов
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
1. Состав грунтов. Классификация грунтов. В состав природных грунтов входят разнообразные элементы, которые можно объединить в четыре группы: твердые минеральные частицы, жидкость, газ, макро- и микроорганизмы, и продукты их жизнедеятельности. Все они играют определенную, иногда немалую роль в поведении грунтов под нагрузками. Наиболее важная часть грунта — твердая, так как она составляет каркас, воспринимающий нагрузки и определяющий деформационные и прочностные свойства. В классификации все многообразие грунтов подразделено на классы природных скальных, дисперсных и мёрзлых грунтов и классы техногенных, соответственно, скальных, дисперсных и мёрзлых грунтов Класс природных скальных грунтов Грунты данного класса обладают естественными (природными) жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными), характерными для монолитных грунтов, и подразделяются на два подкласса: скальных и полускальных грунтов. 5 К подклассу скальных грунтов относятся грунты с прочными кристаллизационными и цементационными структурными связями, к подклассу полускальных грунтов – с ослабленными, преимущественно цементационными связями. Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии: Rc ≥ 5 МПа — скальные грунты, Rc < 5 МПа — полускальные грунты. Класс природных дисперсных грунтов Грунты данного класса обладают естественными (природными) физическими, физикохимическими и/или механическими структурными связями, характерными для раздельнозернистых грунтов. Грунты с механическими структурными связями выделяются в подкласс несвязных (сыпучих) грунтов, а грунты с физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс связных грунтов. Класс природных мёрзлых грунтов Грунты данного класса наряду с другими естественными (природными) структурными связями обладают криогенными связями (за счет льда), характерными для монолитных мёрзлых грунтов. Грунты с криогенными и одновременно с кристализационными и цементационными структурными связями выделяются в подклассы скальных и полускальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными и одновременно с физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями выделяются в подкласс ледяных грунтов. Классы техногенных скальных, дисперсных и мёрзлых грунтов Грунты данных классов обладают такими же, как и природные грунты, структурными связями, которые могут взаимно преобразовываться при техногенном воздействии. Они подразделяются на подклассы техногенных скальных и полускальных грунтов, техногенных 6 несвязных (сыпучих) и связных грунтов, а также подклассы скальных и полускальных техногенных промороженных и мерзлых грунтов, несвязных и связных техногенных промороженных и мерзлых грунтов и техногенных ледяных грунтов. 3. Характеристики физических свойств грунтов. Физические свойства грунтов являются характеристиками, которые описывают физическое состояние того или иного грунта, а также его способность к изменению своего состояния под воздействием различных физико-химических факторов. Для точного определения наименования грунта и его основных характеристик, необходимых для принятия проектных решений в строительстве, обязательно определение физических характеристик лабораторным путем. Основные физические характеристики грунтов следующие: Влажность; Плотность; Границы текучести и раската; Плотность минеральных частиц; Гранулометрический состав; Содержание органического вещества; Степень разложения (для торфов); Коэффициент фильтрации; Коэффициент выветрелости; Максимальная плотность и оптимальная влажность. Влажность Природная влажность грунта — это количество воды, содержащееся в порах грунта в условиях естественного залегания. От природной влажности грунта зависит его несущая способность и при повышенной влажности грунт может снижать свои прочностные характеристики в несколько раз. Пониженная влажность грунта так же является неблагоприятным свойством, так как грунты с низкой влажностью предрасположены к просадочности. В лабораторных условиях природная влажность определяется путем высушивания грунта до постоянного веса при температуре 105° С. Для определения влажности необходимо следующее оборудования: сушильный шкаф, весы, алюминиевые или стеклянные бюксы, эксикатор с хлористым кальцием. W = mвод/ms Плотность Одной из основных характеристик грунта является плотность. Для того, чтобы в лабораторных условиях определить плотность грунта необходимо вычислить отношение массы вещества к его объему. Плотность зависит от минерального состава, пористости и влажности. Плотность грунта определяется путем отбора проб грунта ненарушенного сложения и последующего анализа в лабораторных условиях. Для большинства грунтов используется самый простой способ определения плотности – метод режущего кольца. При определении плотности данным методом необходимы следующие приборы и оборудование: режущее кольцо, нож, пластинки с гладкой поверхностью (из стекла, металла и т.д.) и лабораторные весы. Кроме метода режущего кольца для определения плотности так же применяют метод парафинирования. Объем образца грунта методом парафинирования определяется по закону Архимеда вес тела погруженного в воду уменьшается на величину, равную массе жидкости вытесненной телом. p=m/V Плотность скального грунта определяется методом непосредственных измерений, если из него можно вырезать (выпилить) образец правильной геометрической формы. Границы текучести и раската Кроме природной влажности грунтов при принятии проектных решений важно знать влажность грунта на границе текучести и раската. Влажность на верхней границе пластичности называется границей текучести и характеризует переход грунта из пластичного в текучее состояние, т.е. показатель текучести изменяется с изменением содержания в конкретном грунте воды. Эту влажность условно определяют как влажность такого состояния грунта, при которой балансирный конус (конус Васильева) погружается под действием собственной массы за 5 с на глубину 10 мм. Влажность на нижней границе пластичности называется границей раскатывания. При этой влажности происходит потеря пластичности грунта. Граница раскатывания характеризуется весовой влажностью грунта, при незначительном уменьшении которой пластичное тесто, приготовленное из грунта и воды, при раскатывании в жгут толщиной 3 мм начинает распадаться на кусочки длиной 3-10 мм. Данный вид испытания помогает определить целый ряд инженерно-геологических свойств глинистых горных пород. Плотность минеральных частиц Плотность минеральных частиц – отношение массы твердых частиц к их объему. Для определения плотности минеральных частиц используется стеклянный сосуд определённой формы и известным объёмом – пикнометр, а также дополнительные инструменты – эксикатор, ступка с пестиком, термометр, сушильный шкаф, бюксы и песчаная баня. Результаты исследования заносятся в журнал и проводятся вычисления необходимого показателя – плотности минеральных частиц грунта. Чаще всего пикнометр используется для определения плотности твёрдых веществ, либо очень вязких жидкостей, для которых измерение плотности другими средствами измерения не представляется возможным. Данный метод очень прост, но для уменьшения погрешности испытания необходимо проводить с использованием высокоточных весов. Плотность минеральных частиц грунта является важным качественным показателем для определения нормативных значений прочностных и деформационных характеристик, которые, в свою очередь, позволяют оценить несущую способность грунтов, и возможность их дальнейшего использования в качестве оснований фундаментов.  Гранулометрический состав Гранулометрическим составом грунта называется содержание в нем частиц различной величины, выраженное в процентах к весу абсолютно сухого образца. Гранулометрический состав является основной характеристикой грунта, от которой зависят другие физические характеристики: плотность, влажность, пористость и коэффициент фильтрации. В условиях лаборатории проводить исследования грунта на гранулометрический состав возможно следующими способами: ситовой (разделение частиц грунта по размеру частиц путем просеивания его через набор сит с отверстиями разного диаметра), ареометрический (измерение плотности отстаиваемой суспензии ареометром через определенные промежутки времени) и пипеточный (основан на учете скорости падения частиц в спокойной воде). Ситовой способ используется на песчаных грунтах, а пипеточный и ареометрический способы – на глинистых. Содержание органического вещества Относительное содержание органического вещества - это отношение массы органического вещества к массе абсолютно сухого грунта. Присутствие органического вещества в горных породах и почвах в виде гумуса всегда повышает их дисперсность и влияет на свойства грунтов таких, как влагоемкость, воздухопроницаемость и плотность. Для определения содержания органических веществ в грунте надлежит установить раздельно количество растительных остатков и гумуса. Большинство грунтов с органическими включениями являются более слабыми и сжимаемыми, чем грунты с тем же минералогическим составом, но без органических примесей, поэтому необходимо правильно определять наличие органических веществ, которые обусловливают прочность и устойчивость грунтов при их взаимодействии со строительными объектами. Степень разложения торфов Степенью разложения грунта называется соотношение между количеством гумуса и неразложившегося органического волокна (%). На основании учета степени разложения, торфы подразделяются на слаборазложившиеся (степень разложения R=5-20%), среднеразложившиеся (R=20-30%), хорошо разложившиеся (R=30-40%) и сильноразложившиеся (R>40%). Определение степени разложения торфа в лабораторных условиях производится микроскопическим способом и центрифугированием, основанным на разделе гумусовой и волокнистой фракций торфа при вращении в центрифуге с последующим взвешиванием или определением степени разложения с помощью графика. Степень разложения грунтов является одним из важнейших свойств, которое необходимо учитывать при строительстве. Коэффициент фильтрации Коэффициент фильтрации – это величина, характеризующая водопропускную способность грунтов. Единицей измерения при этом является количество метров в сутки. Расчет ведется с учетом гидравлического градиента, равного единице. Лабораторные исследования грунтов на коэффициент фильтрации проводятся при помощи компрессионно-фильтрационного прибора. Кроме этого для проведения испытания необходимы следующие оборудования: термометр с погрешностью измерения не более 0,5 °С секундомер; нож из нержавеющей стали с прямым лезвием; лопатка; пресс винтовой; пластины плоские с гладкой поверхностью (из стекла, плексигласа или металла). v=k*gradI, где v — скорость фильтрации, измеряемая в сантиметрах в сутки, k — коэффициент фильтрации грунта, измеряемый в сантиметрах в сутки, а gradI— градиент напора. Градиент определяется следующей формулой: gradI=Δh/l, где Δh — падение напора, l — длина фильтрации. Коэффициент выветрелости На прочностные показатели скальных и полускальных грунтов большое влияние оказывает коэффициент выветрелости. Коэффициент выветрелости - отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта. По степени выветрелости грунты делят на сильновыветрелые, слабовыветрелые и невыветрелые. Коэффициент выветрелости в лабораторных условиях определяют с помощью следующих приборов: полочный барабан со скоростью вращения 50-70 об/мин, сито с сеткой № 2 по ГОСТ 6613-86 с поддоном, весы лабораторные. Kwr=(K1-K0)/K1, Где К1 – отношение веса частиц, размер которых меньше 2 мм, к весу частиц больше 2 мм после опытов на истирание в полочном барабане. К0 – то же, только в природном состоянии. Максимальная плотность и оптимальная влажность При проектировании и строительстве земляных сооружений из песчаных и глинистых пород необходимо обеспечить наибольшую их устойчивость и прочность. Это достигается уплотнением пород до максимальной плотности при оптимальной влажности. Одним из основных критериев качества выполнения подготовительных работ на строительных участках служит коэффициент уплотнения грунта. Максимальная плотность (стандартная плотность) - наибольшая плотность сухого грунта, которая достигается при испытании грунта методом стандартного уплотнения.  Оптимальная влажность - значение влажности грунта, соответствующее максимальной плотности сухого грунта. Коэффициент уплотнения грунта - это безразмерный показатель, исчисляющийся как отношение плотности грунта к его максимальной плотности. 4. Характеристика физического состояния грунтов. Физическое состояние грунтов определяется в основном тремя характеристиками: плотностью грунта в целом ρ, плотностью материала минеральных частиц ρs и влажностью грунта w. Остальные характеристики определяются с использованием этих трех основных характеристик. Для этого представим себе некоторый объем грунта V массой М, состоящий из твердого, жидкого и газообразного компонентов, каждый из которых имеет соответствующий объем и массу, т.е. vs и ms; vw и mw; vg и mg (рис. 1.7). Причем  Объем пор составляет vw+vg. Теперь физическое состояние грунтов можно характеризовать следующим образом.  Плотность грунта - отношение массы грунта к его объему - имеет размерность г/см3, т/м3  и меняется в пределах 1,5-2,4 г/см3. Она определяется способом режущего кольца с известным объемом или парафинированием образца произвольной формы. Объем грунта во втором случае определяется по объему вытесненного им объема воды. С помощью взвешивания определяют массу грунта без учета массы кольца и парафина. Разделяя массу грунта на объем грунта, получают плотность грунта в целом. Плотность грунта играет важную роль при определении скорости распространения волн. Взаимосвязь между скоростью распространения звуковых и упругих волн и плотностью грунта используется в геофизических методах для косвенного определения плотности грунта. При определении напряжений от собственного веса грунта используют характеристику удельного веса грунта (кН/м3)  где g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести на Земле. Удельный вес грунтов колеблется в пределах от 13 до 23 кН/м3. Плотность частиц грунта - отношение массы твердых частиц к их объему  и зависит только от минералогического состава. Для грунтов она меняется в пределах от 2,4 до 3,2 г/см3, в том числе для песков - от 2,65 до 2,68 г/см3, для супесей - от 2,68 до 2,72 г/см3, для суглинков от - 2,68 до 2,75 г/см3, а для глин - от - 2,71 до 2,76 г/см3. Плотность частиц определяют специальным пикнометричсским способом. Удельный вес частиц можно получить аналогично (1.2), т.е.  Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц, выражается в долях единицы или в процентах:  и определяется с помощью взвешивания массы грунта M до и после высушивания в термостате при температуре 105°С до достижения стабильной массы ms (масса сухого грунта). Влажность грунтов меняется в пределах от 0,01 до 0,04 (пески, глины, супеси) и от 0,04 до 1 и более (илы, торфы). На основе трех основных характеристик, определяемых экспериментальным путем, рассчитываются дополнительные характеристики физического состояния грунтов. Плотность сухого грунта ρd или плотность скелета грунта определяют как отношение массы частиц грунта ко всему объему грунта:  Сравнивая (1.3), (1.5) и (1.1), можно записать:  Удельный вес сухого грунта (скелета грунта) можно определить аналогично (1.2), т.е.  Пористость грунта - отношение объема пор ко всему объему грунта или объем пор в единице объема грунта, т.е.  Объем твердых частиц в единице объема грунта определяется как отношение объема твердых частиц ко всему объему грунта, т.е.  Пористость грунта n≤1 и для обычных грунтов меняется в пределах от 0,3 до 0,5, а для лессовых и илистых значительно больше. Из соотношений (1.3) и (1.6) следует, что m=ρd/ρs, а с учетом (1.9) имеет  Коэффициент пористости грунта обозначается через е и равен отношению объема пор к объему твердых частиц, т.е.  откуда следует, что  Из определения коэффициента пористости с учетом (1.9) следует, что  Коэффициент пористости является важнейшей характеристикой грунта и меняется в широких пределах. Он может быть больше единицы для слабых глинистых грунтов. Для песчаных грунтов он используется для характеристики состояния плотности в условиях естественного залегания, т.е. как классификационный показатель. |