Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
полной влагоемкостью грунта. Тогда в соответствии с уравнением (2.6) s w sat e W , (2.17) где ρ w – плотность воды, которая равна 1 г/см 3 Степень заполнения пор грунта водой характеризуется коэффициентом водонасыщения S r , который равен отношению естественной влажности грунта к его полной влагоемкости: sat r W / W S (2.18) Подставив вместо W sat его значение в виде уравнения (2.17), получим w s r e W S (2.19) Коэффициент водонасыщения измеряют в долях единицы, он изменяется от 0, когда грунт абсолютно сухой, до 1 – при полном заполнении пор водой. 38 Степень плотности песков I D определяют по следующей формуле min max max D e e e e I , (2.20) где e max – коэффициент пористости грунта в предельно рыхлом состоянии; e min – коэффициент пористости в предельно плотном состоянии. При этом значение e max определяют при свободном насыпании песка в мерный сосуд, а значение e min – при максимальном уплотнении песка посту- киванием или встряхиванием в мерной колбе. Для подсчета веса грунта используют такие характеристики: - удельный вес грунта (измеряется в Н/см 3 или кН/м 3 ) g , (2.21) где g = 9,81 м/с 2 10 м/с 2 – ускорение свободного падения; - удельный вес частиц грунта (Н/см 3 или кН/м 3 ) g s s ; (2.22) - удельный вес сухого грунта (Н/см 3 или кН/м 3 ) g d d (2.23) В строительной практике, кроме рассмотренных выше, используют и другие характеристики состава и состояния грунтов. Как правило, они нужны для более детального описания состава твердой фазы грунта. Эти характе- ристики указывают на относительное содержание в грунте растворимой, кол- лоидной или органической частей. По принятой терминологии они выражают засоленность, льдистость, способность к набуханию, содержание органического вещества и т. п. 2.6. Классификация грунтов В соответствии с ГОСТ 25100-95 классификация грунтов включает такие таксонометрические единицы, которые выделяются по разным группам при- знаков: – класс – по общему характеру структурных связей; – группа – по характеру структурных связей (с учетом их прочности); – подгруппа – по происхождению и условиям образования; – тип – по вещественному составу; – вид – по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показа- телей свойств); – разновидность – по количественным показателям вещественного сос- тава, свойств и структуры грунтов. К классу естественных скальных принадлежат грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными). Класс естественных дисперсных представляют грунты с водно-коллоид- ными и механическими структурными связями. 39 В класс естественных мерзлых входят грунты с криогенными структур- ными связями. К классу техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) относятся грунты с разными структурными связями, образованные в результате деятель- ности человека. Инженерно-геологическая характеристика скальных грунтов. Мине- ральные зерна и обломки пород, из которых состоят скальные грунты, соедине- ны между собой структурными связями. В скальных грунтах магматического, метаморфического и в некоторых грунтах осадочного происхождения наблюда- ются кристаллизационные связи. Они обусловлены действием межатомных сил. У большинства скальных грунтов осадочного происхождения имеют место цементационные связи. Благодаря структурным связям и высокой прочности самих минеральных частиц и обломков пород скальные грунты имеют высо- кую прочность, которая характеризуется пределом прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии – отношением вертикальной нагрузки на образец грунта, при котором происходит его разрушение, F max к начальной площади поперечного сечения образца A 0 , то есть 0 A / F R max c (2.24) С учетом предела прочности (R c , МПа) на одноосное сжатие в водона- сыщенном состоянии скальные грунты подразделяются на такие разновидности: Очень крепкие более 120 Крепкие 120 – 50 Средней прочности 50 – 15 Малопрочные 15 – 5 Сниженной прочности 5 – 3 Низкой прочности 3 – 1 Очень низкой прочности менее 1 Скальные грунты, где с R c < 5 МПа, еще могут называться полускаль- ными. Под действием давления зданий и сооружений скальные грунты практи- чески не сжимаются, а пористость их незначительна. Лишь иногда в скальных грунтах осадочного происхождения она достигает 26% (табл. 2.8). Это в значительной мере определяет прочность и деформируемость упомянутых грунтов, их возможности в плане выветривания и морозостойкости. Значения прочности на одноосное сжатие, модулей упругости и пористости некоторых скальных грунтов приведены в табл. 2.8. 40 Таблица 2.8 Инженерно-технические показатели некоторых скальных грунтов Название грунта Прочность на одноосное сжатие R c , МПа Модуль упругости E, 10 3 МПа Пористость, n, % Гранит Базальт Гнейс Известняк плотный Известняк пористый Песчаник слабый 100 – 230 80 – 240 80 – 220 60 – 200 7 – 50 1,5 – 5 30 – 68 20 – 100 17 – 50 25 – 75 7 – 15 6 – 20 0,06 – 2 3 – 6 – 5 – 13,7 10 – 22 16 – 26 Большинство скальных грунтов при взаимодействии с водой не ухудшает своих свойств. Тем не менее, некоторые из них, где имеют место кристаллиза- ционные связи, снижают свою прочность под действием воды. Это свойство скальных грунтов называется размягчением и характеризуется коэффици- ентом размягчения в воде k sof , который выражает отношение прочности грунта на сжатие после его насыщения водой w c R к прочности грунта на сжатие в су- хом состоянии d c R : d c w c sof R / R k (2.25) Различают неразмягчаемые (k sof ≥ 0,75) и размягчаемые (k sof < 0,75) разновидности скальных грунтов. Осадочные сцементированные скальные грунты подразделяют по степени растворимости в воде (q sr, г/л) следующим образом: Нерастворимые, когда количество водорастворимых солей менее 0,01 Труднорастворимые 0,01–1 Среднерастворимые 1–10 Легкорастворимые более 10 Кроме того, скальные грунты разделяют на разновидности с учетом пара- метров плотности скелета грунта ρ d ; коэффициента выветрелости k wr ; водо- проницаемости; степени засоленности; структуры и текстуры; темпера- туры (ГОСТ 25100-95). При оценке оснований, содержащих скальные грунты, необходимо иметь в виду, что их свойства в образцах отличаются от показателей в массиве. Это объясняется тем, что массивы обычно бывают расчленены трещинами ослаб- ления, а также тектоническими трещинами. В инженерной практике трещино- ватость скальных пород характеризуют коэффициентом трещиноватой пус- 41 тотности, который определяют как отношение объема трещин к объему скальных блоков. Эта величина аналогична пористости нескальных грунтов, но количественно она составляет сотые и даже тысячные доли единицы, достигая лишь в отдельных случаях значений 0,1 – 0,15. Другой параметр массива скальных грунтов – модуль трещиноватости, который соответствует отно- шению количества трещин на 1 м длины оголения скального грунта. Макси- мальные значения этого показателя приближаются к 100, а минимальные составляют доли единицы. Вообще же скальные грунты являются надежным основанием, в том чис- ле и в сейсмических неблагоприятных районах. В классе естественных дисперсныхгрунтов выделяют две группы: связные (сюда относят глинистые грунты и грунты органического происхож- дения, в частности, илы, сапропели, заторфованные грунты, торфы и т. п.) и несвязные (пески и крупнообломочные грунты). Инженерно-геологическая характеристика крупнообломочных грун- тов и песков. Структура этих грунтов зависит от формы, размеров и процент- ного соотношения обломочных, песчаных, пылеватых и глинистых компо- нентов. Например, крупнообломочные грунты характерны грубообломочной (псефитовой) структурой, а песчаные – песчаной (псаммитовой). Структурные связи между минеральными зернами и обломками пород в этих грунтах отсутствуют. Несвязные грунты в целом подразделяют на разновидности по таким признакам: гранулометрический состав; коэффициент водонасыщения; степень засоленности D sal ; относительная деформация пучения ε fh ; темпе- ратура. Для разделения крупнообломочных грунтов используют следующие параметры: коэффициент выветрелости k wr ; коэффициент стирания k fr ; а пески классифицируются – по степени неоднородности гранулометри- ческого состава C u ; коэффициенту пористости; степени плотности; относительному содержанию органических веществ I r Разновидности крупнообломочных грунтов и песков по гранулометри- ческому составу можно определить из табл. 2.9. Таблица 2.9 Разделение крупнообломочных грунтов и песков по гранулометрическому составу Разновидность грунтов Размер зерен, частиц d, мм Содержимое зерен, частиц, % по массе 1 2 3 Крупнообломочные: - валунный (содержит подавляющее большинство неокатанных частиц, глыбистый) - галечниковый (при неокатанных гранях частиц – щебенистый) - гравийный (при неокатанных гранях частиц – дресвяный) > 200 > 10 > 2 > 50 > 50 > 50 42 Продолжение табл. 2.9 1 2 3 Пески: - гравелистый - крупный - средней крупности - мелкий - пылеватый > 2 > 0,50 > 0,25 > 0,10 > 0,10 > 25 > 50 > 50 ≥ 75 < 75 По коэффициенту водонасыщения S r несвязные грунты разделяют на следующие разновидности: Малой степени водонасыщения 0 < S r 0,5 Средней степени водонасыщения 0,5 < Sr 0,8 Насыщенные водой 0,8 < S r 1,0 Разделение песков по коэффициенту пористости eприведено в табл. 2.10. Таблица 2.10 Разделение песков по коэффициенту пористости Разновидность песков Значение коэффициента пористости e Пески гравелистые, крупные и средней крупности Пески мелкие Пески пылеватые Плотные < 0,55 < 0,6 < 0,60 Средней плотности 0,55 – 0,70 0,60 – 0,75 0,60 – 0,80 Рыхлые > 0,70 > 0,75 > 0,80 По степени плотности I D пески разделяют на такие разновидности: Слабоуплотненный 0 I D 0,33 Среднеуплотненный 0,33 < I D 0,66 Сильноуплотненный 0,66 < I D 1,00 Крупнообломочные грунты и пески зачастую довольно крепкие, чтобы воспринимать значительные давления от зданий и сооружений без потери стойкости (прочности). Деформации же сжатия у них зависят, в первую оче- редь, от степени дисперсности и содержания глинистых частиц. Чем они выше, тем больше их сжимаемость. Некоторые крупнообломочные грунты практи- 43 чески несжимаемы. Осадка сооружений на таких основаниях обычно проходит быстро и стабилизируется с завершением строительства. К изложенному следует прибавить также, что с увеличением плотности этих грунтов прочность их повышается, а сжимаемость снижается. При замо- кании характеристики их изменяются незначительно, исключение составляют пылеватые пески, которые в этом случае могут приобретать плывунные свойс- тва. Ориентировочные нормативные значения механических характеристик несвязных грунтов приведены в табл. 2.11. Таблица 2.11 Механические характеристики крупнообломочных грунтов и песков Инженерно-геологическая характеристика глинистых грунтов. Между их минеральными частицами действуют тиксотропно-коагуля- ционные и кристализационно-конденсационные (цементационные) структур- ные связи. Прочность этих связей зависит от степени дисперсности грунтов, их минерального состава, плотности, влажности, состава цементирующего вещест- ва и других факторов. Прочность структурных связей характеризуется сцеп- лением. Глинистые грунты в разных соотношениях содержат глинистые, пылева- тые и песчаные частицы. Установлено, что свойства этих грунтов во многих случаях определяются минеральным составом именно глинистой фракции. Большое значение имеют такие глинистые минералы, как каолинит, илит и монтмориллонит. Минеральные зерна этих пород очень мелкие (их размер меньше 0,002 мм, что соответствует тонкой дисперсии), они имеют чешуй- чатую или пластинчатую форму. Все это предопределяет их большую поверх- ностную энергию и физико-химическую активность при взаимодействии с водой. Напомним, что значительная часть воды в глинистых грунтах находится в связанном состоянии. Глинистые грунты разделяют по таким признакам: число пластичности; показатель текучести; относительная деформация набухания без нагруз- Название грунтов Угол внутреннего трения φ, град Удельное сцепление c, кПа Модуль деформации E, МПа Крупнообломочные: - валунный - галечниковый - гравийный Пески: - гравелистый, крупный - средней крупности - мелкий - пылеватый – – – 38 – 43 35 – 40 28 – 38 26 – 36 – – – 1 – 2 1 – 3 2 – 6 2 – 8 – 29 – 65 14 – 65 30 – 50 30 – 50 18 – 48 11 – 39 44 ки; относительная деформация проседания; относительное содержание органических веществ; степень засоленности; относительная деформация пучения; температура. Разделение глинистых грунтов по гранулометрическому составу и чис- лу пластичности I P представлено в табл. 2.12. Таблица 2.12 Разделение глинистых грунтов по числу пластичности и гранулометрическому составу Разновидность глинистых грунтов Число пластичности I P , % Содержание песчаных частиц (2 – 0,5 мм), % по массе Супесь: - песчанистая - пылеватая 1 – 7 1 – 7 50 < 50 Суглинок: - легкий песчанистый - легкий пылеватый - тяжелый песчанистый - тяжелый пылеватый 7 – 12 7 – 12 12 – 17 12 – 17 ≥ 40 < 40 ≥ 40 < 40 Глина: - легкая песчанистая - легкая пылеватая - тяжелая 17 – 27 17 – 27 > 27 ≥ 40 < 40 не регламентируется В исследованиях М.Ф. Викуловой выделены такие основные типы струк- тур в глинистых грунтах: глинистая (пелитовая); пылевато-глинистая (алевропелитовая); песчано-глинистая (псамопелитовая) и др. Структура грунта и характер его структурных связей влияют на показатели прочности и сжимаемости. Сопротивление глинистых грунтов сдвигу имеет две составляю- щие: сопротивление трению, которое прямо пропорционально сжимающему напряжению, и сцепление, не зависящее от этого напряжения. С увеличением влажности сопротивление глинистых грунтов сдвигу (а значит, и прочность, и стойкость) существенно снижается. Это ведет к потере общей стойкости склонов, выпиранию грунта из-под подошвы фундаментов и т. п. С учетом показателя текучести I L глинистые грунты разделяют на такие группы: Супесь: - твердая I L < 0 - пластичная I L = 0 – 1 - текучая I L > 1 45 Суглинки и глины: - твердые I L < 0 - полутвердые I L = 0 – 0,25 - тугопластичные I L = 0,25 – 0,50 - мягкопластичные I L = 0,50 – 0,75 - текучепластичные I L = 0,75 – 1 - текучие I L > 1 Сжимаемость глинистых грунтов тоже колеблется в широких пределах. Вдобавок этот процесс значительно продолжительнее, чем в песчаных и крупнообломочных грунтах. По этой причине осадка сооружений на таких основаниях обычно не стабилизируется в процессе строительства, а продолжа- ется и в период эксплуатации, иногда даже десятки лет. Следует также доба- вить, что на строительные свойства глинистых грунтов очень существенно влияет показатель их текучести (или, как говорят, консистенция грунта), когда разные значения параметра I L обусловливают разные характеристики проч- ности и деформируемости. Ориентировочные нормативные значения механи- ческих характеристик глинистых грунтов приведены в табл. 2.13. |