Конспект лек Инженерная геология. Конспекты лекций по дисциплине инженерная геология
 Скачать 0.74 Mb.
|
Рельеф поверхности землиРельеф – это совокупность всех форм земной поверхности – возвышений, равнин и углублений. Эти «неровности» на поверхности Земли весьма динамичны, находятся в состоянии непрерывного изменения и превращения. В процессе этих изменений уничтожаются старые и возникают новые формы рельефа. Все это происходит в результате воздействия на земную поверхность сил, возникающих при проявлении эндогенных (внутренних) и экзогенных (внешних) процессов на Земле. Он оказывает большое влияние на размещение, характер и устойчивость промышленных и гражданских зданий и сооружений, не говоря уже о трассировании дорог, прокладке оросительных и судоходных каналов, строительстве плотин, гидростанций и т.п. Чтобы правильно оценить влияние рельефа на строительные объекты, инженер-строитель должен знать основные положения науки о рельефе – геоморфологии. Формы рельефа. Различают две группы: положительные – выпуклые по отношению к плоскости горизонта, и отрицательные – вогнутые. Самыми крупными являются тектонические формы рельефа (горные хребты, равнины, морские понижения, т.е. все, что образует основной и постоянный облик рельефа земной поверхности). Эрозионные (речные долины, овраги и пр.) и аккумулятивные (речные террасы, дюны, барханы и т.д.) формы имеют значительно меньшие размеры и непостоянны во времени. Типы рельефа. Ниже рассматриваются три типа рельефа: равнинный, холмистый и горный. Холмистый рельеф представляет собой переходный тип между равнинным и горным. Это холмы с относительными высотами н более 200м и понижениями между ними в виде ложбин и котловин. Равнина – это тип рельефа, который отличается малыми колебаниями высот, не выходящих за пределы 200м (см. рис. 25). ЛЕКЦИЯ -4: ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВОсновные понятия генетического грунтоведения Грунтоведение – это наука о грунтах. Понятие «грунт» до сих пор является неоднозначным, вокруг него ведется много споров, и до конца вопрос определения этого термина еще не решен. Грунты – это любые горные породы (магматические, осадочные, метаморфические) и твердые отходы производства, залегающие на поверхности земной коры и входящие в сферу воздействия на них человека при строительстве зданий, сооружений, дорог и других объектов. При оценке свойств грунтов, выступающих в роли оснований, большое внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям. Грунтоведение изучает свойства грунтов в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей. Указанная зависимость и является основным положением отечественной школы грунтоведения. Таким образом, грунтоведение охватывает чрезвычайно широкий спектр вопросов – от характеристики внутреннего строения горной породы до характеристики массива различных горных пород. Эти геологические образования, особенно глинистого, пылеватого и по последним данным песчаного состава, характеризуются часто неудовлетворительными или по меньшей мере слабопригодными для использования свойствами, весьма большой их изменчивостью. Строение грунтов Общие понятия. Под строением грунтов понимают совокупность их структурно-текстурных особенностей, т.е. их структуру и текстуру. Термины «структура» и «текстура» выражают очень близкие понятия. В переводе с латинского «структура» – это строение, расположение, устройство, построение, а «текстура» – ткань, соединение, связь. В настоящее время под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих его элементов (минералов, обломков минералов и горных пород, других отдельных частиц, агрегатов, цемента) и характер взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой – пространственное расположение слагающих элементов грунта (независимо от их размера). Основные понятия при оценке инженерно-геологических свойств грунтов а). Физические свойства грунтов. Инженерно-геологические свойства горных пород являются весьма емким понятием, охватывающим их физические, водно-физические и механические свойства. Определение этих свойств, их расчетных значений при проектировании оснований и фундаментов различных сооружений, прогноз их изменений во времени и являются основной конечной целью грунтоведения.. Физические свойства горных пород естественно охватывают все их генетические классы от магматических и метаморфических до обломочных и тонкодисперсных осадочных. Однако в связи с тем, что в строительной практике чаще всего приходится иметь дело с рыхлыми дисперсными породами, а также в связи с тем, что эти породы обладают значитльной изменчивостью свойств, рассмотрение характеристик свойств грунтов мы будем проводить в основном для этих грунтов. Плотность грунта – это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влажности и характера сложения (пористости) = m / V где, - плотность грунта, г/см3; кг/м3; т/м3; m - масса породы с естественной влажностью и сложением, г; V - объем, занимаемый породой, см3; Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта: s = (m – mв) / Vт где, s - плотность грунта, г/см3; кг/м3; т/м3; mв - масса воды в порах грунта, г; Vт - обьем твердой части грунта, см3. Плотность частиц грунта изменяется для всех горных пород в небольших пределах от 2,61 до 2,75г/см3 и для каждой генетической разности породы определяется только ее минералогическим составом. Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных промежутков между минеральными частицами, составляющими породу. Пористость обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы: n = (Vп/ V) 100 Где, Vп – объем пустот породы, см3; V - объем, занимаемый породой, см3. Кроме того, пористость можно выразить через значение плотности грунта: n = [(s - d) / s] 100 n = (1 - d/ s) 100 Приведенной пористостью или коэффициентом пористости называют отношение объема пустот (пор) к объему твердых минеральных частиц породы. Коэффициент пористости выражается в долях единицы по формулам: e = Vn /Vs, e = n/1-n или e = (s-d)/d б). Водно-физические свойства грунтов. Влажностью породы W называют отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой породы (высушивание образца должно производиться в термошкафу при t = 105…107оС в течение 8 ч и более). Влажность породы, кроме того что является физическим свойством породы, служит важнейшей характеристикой ее физического состояния, определяющей прочность, деформируемость и другие свойства при использовании в инженерных целях. Под естественной (весовой) влажностью породы W, %, понимается количество воды, содержащееся в породе в естественных условиях: W = (m – m1)/m1100 Где m – масса породы вместе с содержащейся в ней водой, г. m1 – масса высушенной породы, г. Максимально возможное содержание в грунте связанной, капиллярной, гравитационной воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостью породы и определяют по формулам: Wп = n/d или Wп = е w/s Степенью влажности или относительной влажностью называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношение объема воды к объему пор грунта: Sr = Ws (100-n)/n или Sr = Ws/ew Где Sr – степень влажности породы, %; W – естественная влажность породы, %; s - плотность частиц породы, г/см3; n - пористость, %; w - плотность воды, г/см3; е - коэффициент пористости. По степени водонасыщенности все рыхлые породы подразделяют на четыре основные группы (по величине Sr): сухие - 0-0,2; слабовлажные - 0,2-0,4; влажные - 0,4-0,8; насыщенные водой - 0,8-1,0. Максимальная молекулярная влагоемкость характеризует содержание прочносвязанной, рыхлосвязанной воды и воды ближней гидратации, т.е. влажность грунта при максимальной толшине пленок связанной воды вокруг минеральных частиц (Wм.м.в. или Wln). Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов способом высоких колонн. Пластичность - способность породы изменять под действием внешних сил (давления) свою форму, т.е. деформироваться без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, как действие внешней силы прекратилась – является характеристикой, во многом определяющей деформируемость. Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их консистенции (относительной влажности). Для того чтобы выразить в числнных показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены понятия о нижнем и верхнем пределах пластичности. Нижним пределом пластичности Wp или границей раскатывания называют такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, замешанная на дистиллированной воде, при раскатывании ее в жгутик диаметром 3мм начинает крошиться вследствие потери пластических свойств, т.е. такая влажность, при которой связный грунт переходит из твердого состояния в пластичное. Верхний предел пластичности WL или граница текучести представляет собой такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, положенная в фарфоровую чашку и разрезанная глубокой бороздой, сливается после трех легких толчков чашки ладонью. При большей степени влажности глинистая масса течет без встряхивания или при одном-двух точках, т.е. такая степень влажности, при которой связный грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, Ip, %: Ip = WL - Wp По числу пластичности Ip выделяют породы четырех типов: 1) высокопластичные (глины) – 17%; 2) пластичные (суглинки) – 17…7%; 3) слабопластичные (супеси) – 7%; 4) непластичные (пески) – 0. Консистенция I или показатель текучести - это характеристика состояния грунта нарушенной структуры: I = (WL – Wp) / Ip Некоторые свойства глинистых грунтов и их характеристики. Возвращаясь к оценке свойств глинистых грунтов, рассмотрим следующие важные их характеристики. Набуханием называют способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания. Набухание зависит от содержания в породе глинистых и пылеватых частиц и их минералогического состава, а также от химического состава взаимодействующей с породой воды. Бентонитовая глина может, например, увеличить свой объем более чем на 80%, каолинитовая – на 25%. Коэффициент набухания (,%) определяют по данным лабораторных исследований по приросту объема породы в процессе насыщения ее водой: = (V – V1) / V1 100 где, V – объем набухшей породы, см3; V1 - объем воздушно-сухой породы, см3; Набухание учитывают при строительных работах. Явление набухания пород (главным образом дисперсных) наблюдается в котлованах, траншеях и других выемках, а также при строительстве плотин, дамб, транспортных насыпей и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия сооружений и увеличивается влажность пород, особенно глинистых, за счет вновь поступающей воды. Усадкой породы называют уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка. В наибольшей степени набуханию и усадке подвержены глинистые породы. Размоканием называют способность глинистых пород в соприкосновении со стоячей водой терять связность и разрушаться – превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Размокание породы имеет большое значение для характеристики ее строительных качеств. Скорость размокания породы определяет степень ее устойчивости под водой. При оценке размокаемости принимают во внимание вид породы после распада (пылевидный, пластичный, комковатый) и отмечают размер распавшихся частиц. Глинистые породы размокают в несколько раз медленнее, чем песчаные. Наличие в породе гумуса и карбонатов замедляет размокание. Большая часть пород с кристаллизационной структурой является практически неразмокаемой. Большинство же дисперсных пород с другими видами связи относятся к категории размокаемых. Для характеристики размокания пород обычно используют два показателя: время размокания, в течение котрого образец породы (главным образом, глинистой), помещенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера; характер размокания, отражающий качественную картину распада образца породы. Размокание породы имеет существенное значение при подготовке проекта производства работ и организации возведения сооружения с учетом климатических особенностей района строительства и сезона работ. в). Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики. Расчет оснований сооружений, проектирование фундаментов, качественных насыпей, создание проектов производства работ, оценка и прогноз эксплуатации оснований и фундаментов, а в конечном итоге и сооружений, выяснение причин развития и активизации природных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений невозможны без определения физико-механических свойств грунтов, наиболее важными из которых являются деформационные и прочностные. Сжимаемость грунтов характеризует их способность деформироваться под влиянием внешней нагрузки, например, давления от возведенных сооружений, не подвергаясь разрушению. Деформационные свойства грунтов характеризуются модулем общей деформации, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением минеральных частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор вследствие деформации частиц породы, воды и газа. При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой группе характеристик относятся: коэффициент уплотнения а, коэффициент компрессии ак, модуль осадки ер, ко второй – коэффициент консолидации и др. Общая характеристика сжимаемости грунтов определяется модулем общей деформации Е. При нагрузке на грунт возникают деформации, протекающие во времени. Даже для неполностью водонасыщенных глинистых гшрунтов сжатие под нагрузкой происходит не мгновенно, но в ряде случаев осуществляется сразу со скоростью приложения нагрузки. Деформация сжатия перечисленных грунтов обусловлена при обычных в строительстве нагрузках упругим сжатием частиц и газа. К числу факторов, определяющих сжимаемость грунтов, относят их гранулометрический и минералогический составы и характеристики структуры и текстуры. Дисперсность и степень неоднородности грунтов определяют отчасти их пористость, а тем самым обусловливают возможность их деформирования. Определенное значение здесь имеет и фильтрационная способность различных по крупности грунтов. Прочность грунтов. К числу наиболее важных физико-мханических свойств грунтов относят их прочность. Прочностные характеристики грунтов являются определяющими при решении инженерно-геологических задач, возникающих при оценке оснований, проектировании, строительстве и эксплуатации фундаментов сооружений. Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшими прочностным свойством. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других – грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение грунта происходит в виде перемещений одной части грунтового массива или слоистой толщи относительно другой (к числу примеров, часто возникающих в строительной практике, можно отнести оползание откосов строительных котлованов и других выемок, «выпор» грунта из под сооружений). Сопротивление грунтов сдвигу в определенном диапазоне давлений (от десятых долей до целых единиц МПа) может быть описано линейной зависимостью Кулона |