Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Твердые частицы грунтов характеризуются размерами, формой и мине- ралогическим составом. По размерам частицы разделяют следующим образом: Крупнообломочные, мм: - глыбы и валуны 200; - щебень и галька 200 – 10; - дресва и гравий 10 – 2; Песчаные, мм: - крупные 2,0 – 0,50; - средние 0,5 – 0,25; - мелкие 0,25 – 0,10; - тонкие 0,10 – 0,05; Пылеватые, мм 0,05 – 0,005; Глинистые, мм 0,005. Крупнообломочные, песчаные и пылеватые частички состоят из пер- вичных минералов, среди которых наиболее распространены кварц, полевой шпат и др. Глинистые частицы состоят из вторичных минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюды. Каолинит имеет жесткую кристаллическую ре- шетку и активную поверхность (10 м 2 /г). В основе монтмориллонита – подвижная кристаллическая решетка, которая может расклиниваться пленками воды и увеличиваться в объеме, его активная поверхность достигает 800 м 2 /г. Гидрослюда занимает промежуточное место, ее активная поверхность не пре- вышает 80 м 2 /г. Монтмориллонит связывает и удерживает значительно большее количество воды сравнительно с каолинитом и гидрослюдой. По этой причине морозное пучение проявляется больше в каолинитовых глинистых грунтах, чем в монтмориллонитовых. Строение кристаллической решетки монтмориллонита определяет особенности набухания и усадки состоящих из него глинистых грунтов. Вообще, наличие глинистых частиц в грунте свидетельствует о его большой пористости, способности удерживать значительное количество воды, допускает большие диапазоны изменения влажности, пластичности и т. п. Жидкость в порах грунта состоит главным образом из воды и водных растворов. Содержание в грунте третьего компонента системы, газа, зависит от объема его пор и заполнения их водой: чем больше в порах воды, тем меньше там газов. В верхних пластах грунта находится газообразная составляющая, которая содержит атмосферный воздух, а ниже – азот, метан, сероводород, пары воды и др. Газ в грунте может быть в свободном состоянии или растворенным в воде. Свободный газ делится на незажатый, т. е. контактирующий с атмос- ферой (он существенно не влияет на механические свойства грунта), и зажа- тый – тот, что в виде мельчайших пузырьков содержится в порах (он уменьшает водопроницаемость и повышает упругие свойства грунта). Увели- 32 чению содержания растворенного в воде газа способствует повышение давле- ния или снижение температуры. Содержание в грунте зажатого и растворенного в воде газа существенно влияет на его свойства и процессы, которые в нем происходят. Так уменьшение давления вследствие разработки котлована или доставки образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению естественной структуры грунта. И, наоборот, увеличение давления при пере- даче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может повысить сжимаемость воды, причем в сотни раз, и сделать ее сравнимой со сжимаемостью скелета грунта. Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называют струк- турными связями. По своей природе и прочности они очень разные. Проч- ность дисперсных грунтов не соответствует прочности самих частиц. Она значительно меньше и определяется прочностью именно структурных связей. Образование этих связей – продолжительный процесс, который сопровождает формирование и видоизменение горной породы. Явления выветривания, уплот- нения, растворения, фильтрация и инфильтрация растворов могут коренным об- разом изменить старые и образовать новые структурные связи в грунте. Наи- более распространенными структурными связями в грунтах являются водно- коллоидные (коагуляционные и конденсационные) и кристаллизационные. Водно-коллоидные связи могут быть – вязкопластическими, мягкими, обратимыми, они присущи глинистым грунтам. Они обусловлены влиянием электромолекулярных сил взаимодействия между минеральными частицами, с одной стороны, и пленками воды, а также коллоидными оболочками – с другой. Величина этих сил зависит от толщины пленок и оболочек. Чем тоньше водно-коллоидные оболочки, то есть чем меньше влажность водо- насыщенных грунтов, тем большими будут водно-коллоидные связи, поскольку с уменьшением толщины оболочки увеличивается молекулярное притяжение диполей связанной воды и склеивающее действие веществ, определенное В.С. Шаровым, а все вместе сопровождается некоторым растворением в воде глинистых частиц. При увеличении влажности водно-коллоидные связи могут довольно быстро ослабевать, приближаясь к величинам, близким к нулю. Кристаллизационные связи подразделяются на хрупкие (жесткие), необратимые (то есть после разрушения не восстанавливаются), а также водо- стойкие или неводостойкие. Кристаллизационные связи возникают под дейст- вием химических сил, образовывая в точках контакта минеральных частиц и их агрегатов новые поликристаллические соединения – очень крепкие, но хрупкие и необратимые при разрушении (даже, если они и восстанавливаются, то этот процесс длится годами). Кристаллизационные связи могут формироваться из водно-коллоидных, например, в процессе дегидратации. Прочность этих связей зависит от состава минералов. Например, менее крепкими и водостойкими будут те из них, что образованы гипсом и кальцитом, а вот опал, окислы железа и кремния дают более крепкие и водостойкие кристаллизационные связи. 33 Для оценки свойств дисперсных грунтов также, как и горных пород, довольно важными являются представления об их структуре и текстуре. Под структурой грунта понимают пространст- венную организацию его компонентов, которая харак- теризуется совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), гео- метрических (пространственная композиция структур- ных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры). Структура грунта зависит от состава, количественного соотношения и взаимодействия его компонентов. В формировании прочности глинистых грунтов большое значение имеет также развитие дефектов микро- структуры. Под текстурой грунта понимают пространст- венное расположение элементов, которые его форми- руют (слоистость, трещиноватость и др.). Так, для осадочных грунтов наиболее характерны массивная и слоистая текстуры. Особое значение текстура имеет для глинистых грунтов. В частности, глинистые плоские по форме частицы могут образовывать текстурные агрегаты, подобные «карточному домику» (рис. 2.8, а). Между частицами в этом случае есть открытые ячейки размерами от 2 – 3 до 10 – 12 мкм. Глинистые грунты с ноздреватым строением – наиболее рыхлые и сильносжимаемые (илы и илис- тые грунты). Те же частицы могут соединяться в агрегаты, подобные пачкам листов бумаги. Если эти агрегаты стыкуются между собой как «торец к плос- кости», то они образуют текстуру типа «книжный домик» (рис. 2.8, б). Когда же они группируются параллельно и контактируют плоскими поверхностями, то формируется кучковая текстура, наиболее плотная и креп- кая в глинистом грунте (рис. 2.8, в). 2.5. Физические характеристики грунтов Для количественной оценки свойств грунтов используют характеристики нескольких групп: классификационные, основные, производные. В соответствии с ГОСТ 25100-95 классификационными характерис- тиками крупнообломочных грунтов и песков являются гранулометрический состави степень его неоднородности (для разновидностей этих грунтов – еще и коэффициент водонасыщения и степень плотности), а среди пока- зателей глинистых грунтов выделяют пластичность, содержание песчаных частиц по массе и показатель текучести. По этим признакам уста- навливают названия грунтов. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение в) а) б) Рис. 2.8. Модели текстуры глинистых грунтов: а – «карточный домик»; б – «книжный домик»; в – «кучковая» текстура 34 образцов грунта выполняют так, чтобы полностью сохранить его состояние (структуру, влажность и т. п.) в естественных условиях залегания. Под гранулометрическим (зерновым) составом понимают количест- венное соотношение твердых частиц разного размера в дисперсных грунтах. Для его определения обычно используют ситовый анализ, который заклю- чается в просеивании воздушно-сухой навески грунта массой 100 г через набор сит с размерами отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм и в последующем взвешивании каждой фракции. Пример формы записи результатов ситового анализа приведен в табл. 2.7. Таблица 2.7 Результаты ситового анализа гранулометрического состава песчаного грунта Показатель Диаметр ячейки сита, мм 2 0,5 0,25 0,1 Поддон Размер фракции, мм > 2 2 – 0,5 0,5 – 0,25 0,25 – 0,1 < 0,1 Масса фракций, г Содержание фракций, % 10,5 10,5 22,6 22,6 32,8 32,8 30,9 30,9 3,2 3,2 По этим данным строят суммарную кривую гранулометрического (зернового) состава(рис. 2.9). На этом графике наглядно отражена неодно- родная структура грунта. Чем неоднородность больше, тем кривая, отражаю- щая зерновой состав грунта, будет более пологой. Для количественной оценки неоднородности крупнообломочных грунтов и песков определяют степень неоднородности гранулометрического состава: 10 60 d / d C u , (2.1) где d 60 , d 10 – диаметры частиц, мм, меньше которых содержится в грунте (по массе) соответственно 60 и 10 % частиц. Чем ближе степень неоднородности C u к единице, тем больше однородность грунта по гранулометрическому составу. Причем, если C u 3 , грунт классифици-руют как неоднородный. Числом пластичностиназывается разность значений влажности, которые со- ответствуют двум состояниям грунта: на границе текучести W L и на границе раска- тывания W P , а именно P L P W W I . (2.2) Граница текучести (или влаж- ность на границе текучести) – это влажность, при которой грунт находится 10,0 0,01 0,05 0,10 0,5 1,0 5,0 0 80 100 70 20 30 10 50 60 40 90 Диаметр частиц, мм С одер ж ан ие час ти ц, % Рис. 2.9. Суммарная кривая гра- нулометрического состава песка 35 g 2 g 1 V 2 V 1 Рис. 2.10. Схема составных компонентов образца грунта на границе между пластическим и текучим состояниями, что соответствует влажности теста, изготовленного из грунта и воды, когда стандартный (полированный стальной) конус с углом при вершине 30° за 5 с погружается в него на глубину 10 мм. Граница раскатывания (или влажность на границе раскатывания) – влажность, при которой грунт находится на границе между твердым и пластическим состояниями, что соответствует такому состоянию грунтового теста, при котором оно раскатывается в жгут диаметром около 3 мм, после чего начинает распадаться на отдельные кусочки длиной 3 – 10 мм. Обычно такие способы определения этих границ и сами границы довольно условны, но для инженерной практики точность расчета величин W L и W P вполне допустима. Показателем текучести называется отношение разности значений влаж- ности, соответствующих двум состояниям грунта – естественному W и на гра- нице раскатывания W P , к числу пластичности I P : P P L I W W I (2.3) Основные физические характеристики: плотность грунта ρ, плот- ность частиц грунта ρ s , естественную влажность грунта W определяют непосредственно из опытов. На рис. 2.10 предлагается схема составных компонентов образца грунта. Из нее видно, что образец грунта условно разделен на две части: первую, заня- тую твердыми частицами, объемом V 1 , и вторую, занятую порами, объемом V 2 Пустоту, занятую порами, можно также условно поделить на две части, одна из которых занята водой, вторая – воздухом. Тогда масса твердых частиц грунта будет m 1 , а масса воды – m 2 (масса воздуха в этих расчетах не учитывается). Дальше определяем основные физические характеристики грунта. Плотность грунта– это масса единицы его объема. Ее определяют экспериментально как отношение массы образца грунта к его объему: 2 1 2 1 V V m m . (2.4) Данный параметр измеряют в г/см 3 или т/м 3 Определение плотности грунтов, которые при отборе образцов сохраняют структуру и в то же время поддаются обработке ножом, осуществляют методом режущих колец. Масса и внутренний объем этих колец известны. После определения массы кольца с грунтом на весах от этой величины отнимают массу кольца, а полученный результат делят на внутренний объем кольца. Плотность скальных грунтов определяют методом гидростатического взвешивания с предшествующим парафинированием. Иногда плотность грунта оценивают косвенными метода- ми, в частности путем каротажа, пенетрации, зондирования и т. п. Плотность грунта свидетельствует о потенциальной возможности его уплотнения. Плотность частиц грунта, то есть массу единицы объема твердых его 36 элементов определяют экспериментально, например, с помощью пикнометра, как отношение массы твердых частиц грунта к их объему, то есть 1 1 V / m s (2.5) Эта величина зависит лишь от минерального состава грунта. Плотность скальных грунтов обычно изменяется от 2,4 до 3,3 г/см 3 Естественная влажность грунта – это отношение массы воды к массе твердых частиц: 1 2 m / m W (2.6) В лабораторных условиях массу воды и твердых частиц определяют методом высушивания при температуре 105 °C, а в полевых – электромет- рическим и радиоактивными методами. Производные физические характеристики грунтов, как правило, опре- деляют путем расчета с использованием основных. Плотность сухого грунта(иногда еще скелета грунта) ρ d – отношение массы грунта за вычетом массы воды и льда в его порах к его первоначальному объему. Определяется экспериментально как отношение массы твердых частиц грунта ко всему объему образца ненарушенной структуры до высушивания, то есть 2 1 1 V V m d , (2.7) или путем расчета по такой формуле: W d 1 (2.8) Параметр измеряют в г/см 3 или т/м 3 . В практике строительства его используют для оценки уплотнения грунта, в т. ч. при контроле качества воз- ведения искусственных оснований, которые изготовляются на песчаных и грун- товых подушках. Ориентировочно глинистый грунт считают достаточно уплот- ненным, когда ρ d =1,55 – 1,6 г/см 3 , а песчаный – ρ d = 1,65 г/см 3 Пористость грунта n – это отношение объема пор к общему объему образца грунта: 2 1 2 V V V n (2.9) Относительное содержимое твердых частицв единице объема грунта m находят как отношение объемов твердых частиц и образца в целом: 2 1 1 V V V m (2.10) тогда 1 m n ; m n 1 (2.11) Величины n и m обычно выражают в долях единицы, иногда в процен- тах. В большинстве случаев пористость нескальных грунтов колеблется от 0,3 до 0,5, но в лессовых и слабых грунтах она может достигать существенно больших значений. Используя формулы (2.5) и (2.8), легко убедиться, что s d / m , 37 а с учетом уравнений (2.11) s d n 1 (2.12) Коэффициент пористости e – это отношение объема пор к объему твердых частиц: m n e или n n e 1 , (2.13) откуда d d s e , (2.14) а принимая во внимание формулу (2.8), 1 1 ) W ( e s (2.15) Из определения коэффициента пористости грунта (2.13): e e n 1 и e m 1 1 (2.16) Коэффициент пористости – один из важнейших параметров грунта, кото- рый характеризует плотность его строения (чем он меньше, тем плотнее грунт, а значит, лучше его строительные свойства) и непосредственно используется в расчетах. Для песков его применяют и в качестве классификационного показателя. Понятия «пористость» и «влажность» грунта определенным образом связаны между собой. Введем еще и понятие влажности W sat ., которая отвечает полному водонасыщению грунта, то есть случаю, когда все поры заполнены во- дой. Эту величину обычно называют |