учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
3. Адгезионные свойства и липкость грунтов. Адгезиейназывается прилипание жидкости или твердых частиц к твердым поверхностям. Ад- гезия грунта имеет существенное значение в природных процессах, например, в ветровой эрозии почв, суффозии, водной эрозии грунтов, их водопрочности и т.д. Липкость – способность грунта при определенной влажности прилипать к рабочим поверхностям инструментов и механиз- мов. Оказывает влияние на производительность работ дорожных и поч- вообрабатывающих машин, землеройной техники, горнодобывающих механизмов, транспортеров и др., при добыче и транспортировке полез- ных ископаемых и т.д. Это свойство характерно для влажных высокодис- персных грунтов: глинистых, лессовых, торфяных и др. Выделяются: 1) когезия – взаимодействие молекул внутри одного тела (жидкости или минерала); 2) аутогезия – слипание друг с другом твер- дых частиц одинакового состава в воздушной или жидкой среде; 3) коль- матация грунта –процесс заполнения его пустот более мелкими части- цами, проходящими сквозь грунт с фильтрующимся раствором (суспен- зией). Процесс широко распространен в природе и используется в техни- ческой мелиорации грунтов. 4. Диффузионные свойства грунтов. Диффузией называется само- произвольный процесс выравнивания концентраций одного вещества в объеме другого под влиянием теплового движения атомов, молекул или коллоидных частиц. В грунтах процесс диффузии происходит за счет выравнивания концентраций твердых, жидких и газовых компонентов в его объеме и наиболее активно протекает в глинистых грунтах. 5. Осмотические свойства грунтов. Осмос – это процесс односто- ронней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул раствори- теля в сторону большей концентрации растворенного вещества, характе- рен для глинистых грунтов и играет важную роль в экологии водоемов. 6. Капиллярные свойства грунтов обусловлены капиллярным явле- нием – физическим явлением, связанным с поверхностным натяжением 11 жидкости на границе раздела несмешивающихся сред и характерны для большинства грунтов – пористых, трещиноватых, обладающих пустотами и т.п. При инженерно-геологических исследованиях определяются ос- новные показатели капиллярных свойств грунтов: высота капиллярного поднятия – c h , скорость капиллярного поднятия – c v и капиллярное дав- ление – кап p . 7. Набухаемость грунтов – это их способность увеличиваться в объ- еме в результате смачивания водой, характерна для глинистых грунтов и оценивается следующими основными показателями: 1) относительная деформация (или степень) набухания – sw ; 2) влажность свободного набухания – sw w ; 3) давление набухания – sw p ; 4) скорость набухания – sw v и 5) период набухания – sw t . 1) Относительная деформация набухания, или степень набухания, равна отношению абсолютной деформации образца, свободно набухшего без бокового расширения h , к исходной высоте образца с естественной влажностью ( 0 h ) и измеряется в процентах или долях единицы: 0 sw h h (1) 2) Влажность свободного набухания – это конечная влажность образ- ца, полностью набухшего без возможности бокового расширения и без давления на образец, измеряется в процентах. 3) Давление набухания – это давление, которое грунт оказывает на внешнее ограничение в процессе увеличения своего объема, и численно равно противодавлению при sw = 0, измеряется в мегапаскалях. 4) Скорость набухания определяется отношением (единица измерения с, или мин): sw v sw t (2) 5) Период набухания – это время, в течение которого завершается процесс набухания образца и скорость набухания становится равной нулю. Согласно СП 11-105-97 (ч. 3, с 01.07.2000 г.) выделяются категории грунтов в зависимости от величины относительной деформации набуха- ния (табл. 3.3.1). 12 Т а б л и ц а 3.3.1 Подразделение грунтов по набуханию (СП 11-105-97. ч. 3) Категория грунтов Относительная деформация набухания Давление набухания (нормативное), МПа Ненабухающие <0,04 <0,02 Слабонабухающие 0,04–0,08 0,02–0,09 Средненабухающие 0,08–0,12 0,09–0,17 Сильнонабухающие >0,12 >0,17 В ходе инженерно-геологических изысканий для предпроектной до- кументации должна учитываться набухаемость глинистых грунтов при проектировании промышленных и гражданских сооружений, строитель- стве дорог, бурении скважин и т.п. 8. Усадочность грунтов – это способность влажных грунтов умень- шаться в объеме в результате обезвоживания (дегидратации), характерна для дисперсных грунтов – глин, илов, торфов и других, и оценивается следующими показателями: 1) Линейная усадка – это уменьшение линейных размеров образца в результате усадки 1 , d d L d (3) где d и d 1 – начальный и конечный линейный размеры образца. 2) Объемная усадка – это уменьшение объемных размеров образца в результате усадки v 1 , v v v (4) где v и v 1 – начальный и конечный объемный размеры образца. 3) Влажность предела усадки пу W – это величина влажности, при кото- рой усадка грунта прекращается: измеряется в процентах или в долях едини- цы. Усадочность грунтов должна учитываться при проектировании различ- ных водохозяйственных и гидротехнических систем, инженерных сооруже- ний горячих цехов, теплотрасс, днищ солехранилищ, ТЭЦ, АЭС и др. 9. Водопрочность грунтов (водоустойчивость) – это их способ- ность сохранять механическую прочность и устойчивость при взаимо- действии с водой; определяют размокаемость, размягчаемость и размы- ваемость грунтов. Размокаемость грунтов – это их способность при замачивании в спокойной воде терять связность и превращаться в рыхлую массу с пол- ной потерей прочности. Этим свойством обладают дисперсные группы, 13 слабо сцементированные осадочные и искусственные грунты с раствори- мым, неводостойким или глинистым цементом. Большинство скальных грунтов являются практически неразмокаемыми. Показатели размокаемости грунтов: 1) время размокания (t p ) – интер- вал времени, в котором образец грунта, помещенный в воду, теряет связ- ность и распадается на структурные элементы разного размера; 2) ско- рость размокания ( p v ) оценивается по относительной потере массы об- разца за время t ; 3) характер размокания оценивается визуально в об- нажениях, выработках или образцах и отражает качественную картину распада грунта. Размягчаемость грунтов – это способность скальных грунтов сни- жать свою прочность при взаимодействии с водой. Показателем размяг- чаемости грунтов является коэффициент размягчаемости ( sof K )– это отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасы- щеном ( сжw R ) и воздушно-сухом ( сж R ) состояниях: cж cж w sof R K R (5) В соответствии со СНиП 2.02.01-83 в скальных грунтах выделяются две категории: размягчаемые ( sof K < 0,75) и неразмягчаемые ( sof K ≥ 0,75) грунты. Размываемость грунтов – это их способность разрушаться под дей- ствием движущейся воды. В зависимости от динамики водного воздей- ствия выделяются: 1) Поверхностный размыв преимущественно связных грунтов, кото- рый происходит под действием текучих вод на склонах (плоскостная эро- зия) и вдоль постоянных водотоков (боковая и донная эрозия). Показате- лями характеристики поверхностного размыва грунтов являются: а) раз- мывающая скорость водного потока ( ) k V – при которой начинается отрыв частиц и агрегатов и удаление их по потоку; б) интенсивность размыва ( ) p I – отношение средней толщины размытого слоя грунта (∆h) при данной скорости размыва к длительности размыва (∆t): ; p h I t (6) 14 в) интенсивность смыва ( s I ) – показывает потерю массы смываемых частиц грунта ( ) m в единицу времени ( ) t с единицы площади смыва ( ) S : s m I t S (7) 2) Волновой (лобовой) размыв грунтов, который происходит при фронтальном воздействии воды на грунтовый массив и широко распро- странен в природе в зоне прибоя по берегам морей, озер и водохранилищ. Оценка волнового размыва грунтов имеет значение при прогнозе перера- ботки берегов водохранилищ. Главным показателем, отражающим водо- прочность грунтов по отношению к волновому размыву, является коэф- фициент сопротивления горных пород волновому размыву ( ) c K , опреде- ляемый по формуле Σ , B c E K V (8) где: Σ B E – суммарная энергия волн за период наблюдения; V – объем размытого (удаленного) грунта. Этот коэффициент равен энергии волн, затрачиваемых на размыв единицы объема грунта. 3) Суффозионный размыв, обусловленный выносом частиц грунта из массива водным потоком. Для борьбы с суффозией грунтов используют различные методы их осушения, уменьшения скоростей фильтрационных потоков и технической мелиорации. 3.4. Физические свойства грунтов 1. Плотностные свойства грунтов. Плотностные свойства грунтов количественно оцениваются величиной отношения их массы к занимае- мому объему. При инженерно-геологических исследованиях используют- ся характеристики: плотность твердых частиц грунта, плотность грунта, плотность скелета грунта и некоторые другие. Плотность твердых частиц грунта – это масса единицы их объема. Численно равна отношению массы твердой части грунта к ее объему; единица измерения – г/см 3 . Общепринятая методика экспериментального определения плотности твердых частиц грунта изложена в ГОСТ 5180- 84. Возможные неточные определения этого свойства скорректированы В.Т. Трофимовым (2005, с. 362–366). 15 Плотность грунта – это масса единицы объема грунта естественной влажности с ненарушенной структурой; единица измерения – г/см 3 Плотность скелета грунта – это масса единицы объема сухого грун- та естественного сложения ( ) d P . Определяется экспериментально или через плотность грунта ( ) P и его влажность ( ) W по формуле: 3 (г/см ), 1 d P P W (9) где W – весовая влажность в долях единицы. Плотностные свойства грунтов используются для расчета пористости и других характеристик грунтов. Пористость грунта ( ) n – это отношение объема пор в грунте к об- щему объему грунта. Выражается в процентах или долях единицы и определяется по формуле 1 1 , d s d s s s P P P n V P P (10) где: V s – объем твердых частиц в единице объема грунта. Коэффициент пористости – отношение объема пор в грунте к объе- му твердой компоненты грунта; выражается в долях единицы и определя- ется по формуле: d d s s P P P V n e (11) Через коэффициент пористости можно определить пористость грунта и объем твердых частиц в единице объема грунта: 1 e n e ; 1 1 s V e (12) (13) Показатели пористости грунтов используются в грунтоведении и ме- ханике грунтов для расчетов водопроницаемости, плотности, уплотняе- мости и других свойств грунтов. 2. Гидрофизические свойства грунтов. В список гидрофизических свойств грунтов входят: влагоемкость, влагоотдача, водопоглощение, 16 водонасыщение, водопроницаемость, влагопроводимость в ненасыщен- ных грунтах и термовлагопроводность грунтов. Влагоемкость – это способность грунтов поглощать и удерживать в своем объеме максимальное количество воды. Выделяются: 1) Полная влагоемкость грунта (W sat ) – численно равна влажности грунта (весовой или объемной) при полном заполнении всех пор водой. Максимальной полной влагоемкостью обладают высокопористые грун- ты. 2) Капиллярная влагоемкость грунта (W кап ) – численно равна влаж- ности грунта (весовой или объемной) при его полном капиллярном насыщении, которая всегда меньше полной влагоемкости грунта. Макси- мальной капиллярной влагоемкостью обладают высокопористые грунты с микропорами капиллярного размера (0,001–1мм) – пески, супеси, пес- чаники, алевролиты, высокопористые скальные грунты и т.п. Влагоотдача (W отд ) – это способность водонасыщенных грунтов те- рять (или отдавать) влагу. Наибольшей влагоотдачей обладают сильно- трещиноватые, крупнопористые и крупнообломочные грунты. Водопоглащение (W пог ) – это способность грунта поглощать воду при нормальном (атмосферном) давлении и комнатной температуре; выража- ется в долях единицы или в процентах от веса абсолютной сухой горной породы. Водонасыщение (W нас ) – это количество воды, поглощенное образцом грунта в вакууме, выраженное в процентах от его первоначального объе- ма или массы. Дополнительно определяется коэффициент водонасыще- ния (К нас ) – отношение естественной влажности грунта к влажности, со- ответствующей полному заполнению всех пор водой, измеряется от 0 (для абсолютно сухого грунта) до 1 (для полностью водонасыщенного грунта). Водопроницаемость – это способность водонасыщенных грунтов пропускать сквозь себя воду за счет градиента напора. Закономерности фильтрации воды в водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме течения описываются законом Дарси (1856): V= k ф × i, (14) где: V – скорость фильтрации, k ф – коэффициент фильтрации, i – напор- ный градиент. Водопроницаемость количественно характеризуется коэффициентом фильтрации – скоростью движения подземных вод в зонах полного насыщения при гидравлическом градиенте, равном 1. Определяется по формуле 17 ф Q K F T I см/с; м/сут, (15) где Q – количество воды, F – площадь поперечного сечения грунта, T – время, I – напорный градиент. Влагопроводность в ненасыщенных грунтах оценивается единым ко- эффициентом влагопроводности (k и , см/с), который отражает способ- ность ненасыщенного грунта проводить влагу, является основной гидро- физической характеристикой влагообмена в ненасыщенных грунтах и равен количеству влаги, переносимой в грунте в единицу времени через единицу площади при единичном градиенте потенциала влаги. Термовлагопроводностью не полностью насыщенных грунтов назы- вается перенос влаги под действием градиента температуры, который активно проявляется в грунтах зоны аэрации. 3. Газофизические свойства грунтов. Газопроницаемость грун- тов – это их способность пропускать сквозь себя газ при наличии пере- пада давления. Оценка газопроницаемости грунтов в инженерно- геологической практике имеет значение при строительстве подземных газохранилищ, при исследовании газогенерации грунтов, обустройстве свалок, решении задач в области технической и экологической мелиора- ции грунтов и т.д. При этом определяется способность грунтов экраниро- вать фильтрацию газов. Низкой газопроницаемостью обладают глини- стые грунты. Диффузия газов в грунтах – изотермический (протекающий при рав- ной температуре) процесс самопроизвольной фильтрации газа под дей- ствием градиента концентрации газа, направленный на выравнивание концентраций в порах грунта. Испаряемость влаги в грунтах – это процесс перехода поровой воды из жидкого в газообразное агрегатное состояние; пар является глобаль- ным, входит в круговорот воды в природе, влияет на водный баланс грунтовых массивов и свойства самих грунтов. 4. Аэродинамические свойства грунтов – это способность грунтов сопротивляться воздействию ветра и участвовать в аэродинамическом переносе слагающих его частиц, агрегатов и т.п. Эти свойства грунтов характеризуют их устойчивость к ветровой эрозии (дефляции), эоловой денудации, участие в ветровом (эоловом) переносе и накоплении матери- ала. Аэродинамические свойства грунтов в инженерно-геологической практике изучаются в связи с оценкой и прогнозами интенсивности де- фляции грунтов, эоловой денудации, оценкой эоловых процессов, пыли- мостью отвалов искусственных грунтов, ветровой коррозией инженерных 18 сооружений и т.д. Большой ущерб в мире наносит ветровая эрозия поч- вам. Поэтому изучение дефляционной стойкости грунтов имеет очень важное значение. 5. Теплофизические свойства грунтов. Теплофизические свойства грунтов оказывают большое влияние на природные процессы – выветри- вание, почвообразование, сезонное и многолетнее оттаивание, промерза- ние, а также на условия работы инженерных сооружений. Поэтому при оценке теплового режима грунтовых толщ необходимо знание теплофи- зических характеристик грунтов. Теплоемкость грунтов – это их способность поглощать тепловую энергию при теплообмене. Различают удельную и объемную теплоем- кость грунтов. Удельная теплоемкость (С) равна количеству тепла, которое необ- ходимо сообщить единице массы грунта для изменения ее температуры на 1°С при отсутствии фазовых переходов; размерность – кал/г × град. Объемная теплоемкость (С V ) численно равна количеству тепла, не- обходимого для изменения температуры единицы объема грунта на 1°С; размерность – кал/см 3 × град. Удельная теплоемкость широко распространенных минералов в при- роде составляет 0,17–0,22 кал/г × град. Теплопроводность грунтов – это их способность проводить тепло, она оценивается коэффициентом теплопроводности (λ) – количеством тепла, проводимого грунтом в единицу времени через единицу площади при температурном градиенте равном 1; размерность – кал/см × с × град.; ккал/м × ч × град. или Вт/м·К (система СИ). Теплопроводность большинства породообразующих минералов со- ставляет 0,8–4,0 Вт/м·К. Температуропроводность грунтов – это скорость распространения изменения температуры вследствие поглощения или отдачи тепла, оце- нивается коэффициентом температуропроводности (α), который числен- но равен теплопроводности грунта с объемной теплоемкостью, равной 1. v c или pC м 2 /с (16) (17) Коэффициент теплопроводности большинства скальных грунтов со- ставляет (0,6–1,2) × 10 – 6 м 2 /с. 19 Термическое расширение грунтов связано с их способностью изме- нять свои размеры с изменением температуры и характеризуется коэф- фициентами теплового линейного ( ) и объемного ( ) расширения, ко- торые широко используются в расчетах в горном деле. Коэффициент теплового линейного расширения грунта определяется по формуле 2 1 , ( ) l l t t (18) где I – измененный линейный размер образца грунта, I – первона- чальный размер образца грунта, 1 t – первоначальная температура образца грунта, 2 t – конечная температура образца грунта. Численная величина коэффициента теплового объемного расширения грунтов примерно в три раза выше значений коэффициента теплового линейного расширения, т.е. ≈ 3 Морозостойкость грунтов – это их способность сопротивляться воз- действию отрицательных температур, оценивается коэффициентом моро- зостойкости (К м ), который представляет отношение предела прочности при сжатии образцов после замораживания к пределу прочности при сжатии сухих образцов. В строительной практике используется понятие «марка морозостойкости» – число циклов промерзания–оттаивания, в результате которых происходит снижение исходной прочности материала на 25% или потеря его массы на 5%. |