учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
6. Электрические свойства грунтов. Способность грунтов прово- дить и поглощать электрический ток широко используется в инженерно- геологической практике при осушении и электрооттаивании грунтов, расчетах заземляющих устройств электростанций и линий электропере- дач, расчетах защитных устройств для предотвращения коррозии трубо- проводов и т.д. Электропроводность грунтов – это их способность проводить элек- трический ток, характеризуется величиной удельной электропроводности (σ) или удельного электрического сопротивления ( ) p : 1 , R S L (19) где: R – полное электрическое сопротивление образца грунта (Ом); S – площадь поперечного сечения образца (м 2 ); L – длина образца (м). Поверхностная проводимость грунтов обусловлена подвижностью из- быточных ионов двойного электрического слоя, проявляется в высокодис- 20 персных грунтах (глины, суглинки) и характеризуется удельной поверхност- ной проводимостью ( s K ) – это величина поверхностной проводимости (σ s ) в объеме пор единицы массы (1 г) грунта, отнесенная к его поверхности: , s n s w K (20) где: n w – объемная влажность; Ω – удельная поверхность грунта. Диэлектрическая проницаемость грунтов – это их способность к поляри- зации под воздействием переменного электромагнитного поля за счет упорядоченной ориентации имеющихся в грунте связанных электриче- ских зарядов, характеризуется безразмерной относительной диэлектриче- ской проницаемостью ( ), которая показывает, во сколько раз электриче- ская сила, действующая на любой заряд в данной среде, меньше, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость чистого воздуха близка к 1, породообразующих минералов – колеблется от 3 до 12. 7. Электрокинетические свойства грунтов. Электрокинетические свойства характерны для водонасыщенных тонкодисперсных грунтов (глины, суглинки, почвы, торф, илы и др.) и проявляются при воздей- ствии на них постоянного электрического тока. Электроосмос – это движение воды в порах грунта под влиянием внешнего электрического поля от анода к катоду, так как молекулы воды имеют положительный заряд. Электрофорез – это движение дисперсных минеральных частиц грун- та под влиянием внешнего электрического поля в сторону анода, так как минеральные частицы имеют отрицательный заряд. Электрокинетические свойства грунтов используются в инженерно- геологической практике. Электроосмос применяется: 1) для осушения массивов глинистых грунтов; 2) консолидации и уплотнения водонасы- щенных дисперсных грунтов; 3) очистки грунтов от различных загрязни- телей, включая токсичные. Электрофорез используется для удаления дисперсных загрязнителей, рассеянных в поровом пространстве грунтов. 8. Электрохимические свойства грунтов. Электрохимические свой- ства проявляются в их коррозионной способности разрушать металличе- ские конструкции сооружений, контактирующих с грунтами. Интенсив- ность коррозии металлов в грунтах зависит от их химико-минерального состава, влажности, содержания газов, наличия катионов Na + , Ca + , элек- тропроводности и присутствия бактерий (биокоррозия). 9. Магнитные свойства грунтов. Магнитные свойства грунтов обу- словлены наличием земного магнетизма. В инженерно-геологической практике используются магнитная восприимчивость и остаточная намаг- 21 ниченность грунтов. Магнитные свойства грунтов учитываются при ре- шении некоторых практических задач (например, при оценке влияния на состояние глинистых грунтов). 10. Радиационные свойства грунтов. Радиационные свойства грун- тов обусловлены присутствием в них радиоактивных элементов. Выде- ляются: 1) естественная радиоактивность грунтов – определяется радио- активностью слагающих их минералов; 2) искусственная радиоактив- ность грунтов – результат техногенного загрязнения грунтов радиоактив- ными материалами. В инженерно-геологической практике оценка радиа- ционных свойств грунтов проводится в связи с проблемами захоронения и утилизации отходов ядерной промышленности, очисткой грунтов от радиоактивных загрязнений, строительством убежищ от ядерных взрывов и других объектов атомной промышленности и при оценке экологиче- ской безопасности строительства жилых зданий. 3.5. Биотические свойства грунтов Биотические свойства грунтов обусловлены присутствием в них ком- понентов биоты. Биологическая активность грунтов – это их способность создавать более-менее благоприятные условия для развития и жизнедеятельности биоты определенного типа в грунте. Количество крупных макроорганиз- мов оценивается числом особей (экз.), обитающих на единице площади или в единице объема грунта (экз./га, экз./м 3 и т.д.). Количество микроор- ганизмов в грунте определяется числом экземпляров на 1 г твердой фазы грунта или относительным содержанием живой массы организмов в еди- нице объема грунта (мг/см 3 и др.). Для развития микроорганизмов наибо- лее благоприятны почвы, илы, торф; менее благоприятны – лёсс, супеси, суглинки, глины, пески. Наименее благоприятны для развития микро- и макроорганизмов невыветрелые магматические, метаморфические и сце- ментированные осадочные грунты. Биологическая поглотительная способность грунтов заключается в том, что находящиеся в них микро- и макроорганизмы способны избира- тельно поглощать и накапливать определенные химические элементы. Это свойство используется как метод биологической очистки почв и дру- гих грунтов от различных токсичных загрязнителей (нефтяных, тяжелых металлов, соединений азота и фосфора, радионуклидов и др.). Биоагрессивность и биокоррозия грунтов обусловлены влиянием биоты, приводящей к разрушению материалов инженерных конструкций (дерево, бетон, металлы), контактирующих с грунтами. 22 3.6. Физико-механические свойства грунтов Физико-механические свойства грунтов проявляются при воздей- ствии на них внешнего давления или нагрузок от различных сооружений, инженерных конструкций или самих массивов горных пород. Выделяют- ся деформационные, прочностные, реологические и динамические свой- ства грунтов. Деформационные свойства грунтов характеризуют поведение грунта под воздействием докритических нагрузок, не приводящих к его разру- шению. Выделяются упругие свойства, компрессионная сжимаемость и просадочность грунтов. Упругие свойства грунтов (табл. 3.6.1–3.6.4) по своей деформируемо- сти подчиняются закону Гука (1660): «сила упругости, возникающая в теле при деформации, прямо пропорциональна величине этой деформа- ции» и выражается следующими показателями: 1) Модуль упругости ( ) E характеризует отношение напряжения при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации: обр. , E e (21) обр. l e l (22) Размерность – паскаль (Па), мегапаскаль (МПа = 10 6 Па), гигапаскаль (ГПа = 10 9 Па). 2) Модуль общей деформации 0 E характеризует отношение напряже- ния при одноосном сжатии к общей относительной деформации грунта: 0 0 E e (23) Для линейнодеформируемых материалов 0 E = E 3) Коэффициент Пуассона ( ) , или коэффициент поперечной де- формации, выражает отношение относительных поперечных деформаций к относительным продольным деформациям: x Z . (24) 23 Т а б л и ц а 3.6.1 Упругие константы скальных грунтов Грунты Модуль упругости Е, ГПа Коэффициент Пуассона Сиениты 60–65 0,22 Граниты 39–78 0,12–0,29 Гранодиориты 55–73 0,14–0,29 Габбро 86–105 0,24 Диабазы 21–120 0,26–0,32 Перидотиты 152–160 0,23–0,26 Базальты 3–69 0,10–0,25 Туфы пепловые 5–30 0,14–0,19 Гнейсы 39–105 0,11–0,28 Мраморы 75–82 0,3–0,32 Сланцы кристаллические 49–60 0,14 Известняки хемогенные 44–87 0,25–0,33 Доломиты 3–43 0,25–0,31 Песчаники кварцевые 18–68 0,09–0,19 Алевролиты 7–30 0,20–0,30 Компрессионная сжимаемость грунтов, или компрессия, – это их способность уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки без бокового расширения. Основными характеристиками компрессионной сжимаемости грунтов являются: 1) коэффициент сжимаемости (α) –отношение изменения коэффици- ента пористости к разности давления: e (25) В зависимости от величины коэффициента сжимаемости выделяются грунты: сильносжимаемые α > 1МПа –1 , повышенносжимаемые α = 1– 0,1 МПа –1 , среднесжимаемые α = 0,1–0,05 МПа –1 , слабосжимаемые α = 0,05–0,01 МПа –1 и практически несжимаемые α < 0,01 МПа –1 2) коэффициент компрессии ( k ) – отношение изменения коэффици- ента пористости к разности давлений в логарифмическом масштабе: ; lg k e (26) 3) модуль общей компрессионной деформации (E ок ) – характеризует коэффициент пропорциональности между давлением и относительной линейной общей деформацией грунта без невозможности его бокового расширения при компрессии: 24 0 0 1 ok e E E (МПа), (27) где e 0 – коэффициент начальной пористости; α – коэффициент сжимае- мости; E 0 – модуль общей деформации; – коэффициент, учитывающий невозможность бокового расширения грунта при компрессии (безразмер- ная величина), равный: для песков – 0,8; для супесей – 0,7; для суглин- ков – 0,5; для глин – 0,4. Т а б л и ц а 3.6.2 Упругие характеристики дисперсных грунтов Грунты Модуль общей деформации, МПа Модуль упруго- сти, МПа Коэффициент Пуассона Гравий и галька 54–65 24–32 0,23–0,27 Щебень 29–65 13–30 0,25 Дресва 14–42 6–24 0,25–0,27 Пески разные (от гравелистых до мелких глинистых) 11–200 20–380 0,15–0,46 Супеси (твердые и пластичные) 2–39 20–460 0,24–0,31 Суглинки (от твердых до тегучепластичных) 4–40 18–1800 0,25–0,40 Глины (от твердых до текучепластичных) 2–240 2,7–7600 0,27–0,48 Просадочность грунтов – это их способность уплотняться при смачива- нии водой в условиях компрессии и без возможности бокового расширения; характерна для дисперсных грунтов: сухие лёссовые грунты, выветрелые глины, вулканический пепел, искусственные грунты, почвы, засаленные пес- ки, и оценивается коэффициентом относительной просадочности ( s 1 ): 1 1 0 , p p s h h h (28) где h p и h 1 p – высоты образца грунта естественной влажности под давле- нием до и после смачивания водой, h 0 – начальная высота образца грунта естественной влажности и под природным давлением. Прочностные свойства грунтов. Прочность грунтов – это их спо- собность сопротивляться разрушению, проявляется при воздействии на грунт нагрузок, равных или превышающих критические, характеризуется следующими показателями: 1) временное сопротивление сжатию (R сж ) – выражает отношение нагрузки максимального упрочнения, близкого или равного усилию раз- 25 давливания (при одноосном сжатии) к площади поперечного сечения об- разца: max сж P R S (Па). (29) Т а б л и ц а 3.6.3 Временное сопротивление сжатию скальных грунтов Грунты R сж ., МПа Сиениты 100–220 Граниты 80–380 Диориты 140–310 Габбро 190–320 Андезиты 80–200 Базальты 90–460 Кварциты железистые 220–380 Сланцы песчанистые 12–89 Сланцы глинистые 7–87 Доломиты 12–150 Известняки хемогенные 5–95 Песчаники 5–150 Алевролиты 12–40 Аргиллиты 16–51 2) временное сопротивление растяжению (R p ) – выражает отношение разрушающей нагрузки в условиях одноосного растяжения к площади раскалывания образца: p p P R S (Па). (30) Для однотипных грунтов всегда R p < R сж Т а б л и ц а 3.6.4 Временное сопротивление растяжению скальных грунтов Грунты R p , МПа Граниты 4–19 Диабазы 4–31 Габбро 6–20 Базальты 1–40 Гнейсы 7–20 Кварциты 4–16 Сланцы песчанистые 1,5–25 Сланцы глинистые 0,5–15 Мраморы 3–17 Известняки 3–10 Песчаники 1–22 Алевролиты 0,7–3,1 Аргиллиты 2–3,5 26 3) сопротивление сдвигу – выражает величину деформирующей нагрузки, при которой происходит перемещение одной части грунта от- носительно другой: tg с (закон Кулона, 1773), (31) где – предельное сдвигающее напряжение; σ – нормальное давление; – угол внутреннего трения; tg – коэффициент внутреннего трения; с – константа, характеризующая сцепление. Для сыпучих грунтов, не обладающих сцеплением (с = 0), формула Кулона имеет вид: tg (32) Закон Кулона имеет графическое выражение (рис. 3.6.1). Рис. 3.6.1. Зависимость сопротивления сдвигу связных (а) и несвязных (б) грунтов Реологические свойства грунтов. Реологические свойства грунтов проявляются в изменении во времени напряженно-деформационного со- стояния грунтов. Основные явления, определяющие эти свойства в грун- тах: 1) ползучесть – нарастание деформаций во времени в грунте под действием постоянной нагрузки; 2) релаксация напряжений – процесс уменьшения напряжений в грунте при сохранении заданной неизменной деформации; 3) длительная прочность – прочность грунта при длитель- ном действии нагрузки. Динамические свойства грунтов. Динамические свойства – это определенные физико-механические свойства грунтов, определяющие их реакцию на действие динамических нагрузок. Выделяются: 1) вибрационные нагрузки – это воздействия на грунт, которые сопро- вождаются непрерывным изменением напряжений во времени; они могут быть как природными (землетрясения и др.), так и техногенными (влия- ние транспорта, технологических процессов и т.п.). В результате: а) в скальных и полускальных грунтах снижается прочность и повышается 27 деформируемость; б) связные грунты могут утрачивать прочность с нега- тивными последствиями (деформации фундаментов инженерных соору- жений, оползнеобразование и др; в) несвязные грунты могут испытывать уплотнение, разуплотнение и разжижение в определенных условиях, а также сдвиговые напряжения; 2) импульсные нагрузки; могут быть периодическими и непериодиче- скими (ударные, почти периодические, нерегулярные и т.п.), их природа техногенная и связана со взрывами и ударными нагрузками при работе механизмов (забивание свай, уплотнение грунтов и т.п.). Высокая эффек- тивность энергии взрыва используется в инженерной практике для уплотнения рыхлых песков, просадочных лёссов и слабосвязанных грун- тов. 3) разжижаемость грунтов – это динамический процесс перехода водонасыщенных дисперсных грунтов в текучее состояние под действи- ем внешней нагрузки. 3.7. Классификации грунтов Классификации грунтов –это их деление и систематизация на осно- ве показателей состава, строения, состояния и свойств. И сами показате- ли свойств грунтов подвергаются систематизации. Так, например, В.Т. Трофимов (2005) все показатели делит на классификационные и рас- четные. Первые – это показатели, отражающие особенности состава, строения, состояния и свойств грунтов, именно они используются при разработке классификаций грунтов, вторые используются при проекти- ровании в инженерно-геологических расчетах. По представительности показатели делятся на: 1) частные (индивидуальные) – представляют единичные значения состава, строения, состояния и свойств грунта в конкретной точке; 2) обобщенные: а) нормативные – усредненные част- ные показатели какого-то одного свойства, и б) расчетные – получаемые умножением нормативных показателей на коэффициент надежности. В инженерной геологии используются классификации грунтов – част- ные, отраслевые, региональные и общие. Частные классификации основаны на разделении грунтов по одному или двум показателям свойств и используются для решения конкретных задач. Например, классификация грунтов по гранулометрическому соста- ву, отражающая процентное содержание в грунтах фракций определен- ного размера; классификация глинистых грунтов по показателю конси- стенции и т.д. 28 Отраслевые классификации удовлетворяют запросы различных видов строительства – промышленного и гражданского, гидротехнического, дорожного и так далее и используются при производстве инженерных изысканий, проектировании и строительстве зданий и сооружений. В практике современного строительства рекомендуется для использова- ния классификация грунтов по ГОСТу 25100-2011(введен с 01.01.2013 г.). Региональные классификации служат для типизации грунтов на опре- деленных крупных территориях (например, Русская платформа и т.д.). Используются при инженерно-геологическом картировании регионов. Общие классификации включают все типы грунтов и являются осно- вой для построения других классификаций. Примеры: общие классифи- кации грунтов Ф.П. Саваренского (1939), В.А. Приклонского (1943), Н.Н. Маслова (1961), Е.М. Сергеева (1983), В.Д. Ломтадзе (1984), Г.К. Бондарика (1981), В.Т. Трофимова и др. В общей классификации грунтов (Трофимов и др., 2005) выделяются: 1) царство природных грунтов (горные породы, осадки и почвы) и цар- ство техногенных (искусственных) грунтов (техногенно измененные, пе- реотложенные и образованные грунты); 2) классы – по общему характеру структурных связей; 3) группы – по характеру структурных связей с уче- том прочности грунтов; 4) подгруппы – по происхождению и условиям образования; 5) типы – по вещественному составу; 6) виды – по наимено- ванию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств); 7) раз- новидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов. В царстве природных грунтов выделяются три класса. I. Класс скальные грунты (с жесткими структурными связями – кри- сталлизационными и цементационными). Группы: 1) скальные грунты, подгруппы – магматические интрузивные и эффузивные, метаморфиче- ские, осадочные и вулканогенно-осадочные горные породы; 2) полус- кальные грунты, подгрунты – осадочные и вулканогенно-осадочные гор- ные породы. Разновидности скальных и полускальных грунтов выделя- ются по коэффициенту выветрелости, степени размягчаемости в воде, температуре, степени водопроницаемости и засоленности, структуре и текстуре. II. Класс дисперсные грунты (с механическими и водно-коллоидными структурными связями). Грунты: 1) связные грунты (с физическими и физико-химическими структурными связями); подгруппы: а) осадочные, вулканогенноосадочные и почвы; типы – минеральные (виды: глинистые и пылеватые супеси, суглинки, глины), органоминеральные (виды – илы, сапропели, заторфованные грунты), органические (виды – торф и др.); 29 разновидности различают по: гранулометрическому составу (крупнооб- ломочные и песчаные грунты), числу пластичности и гранулометриче- скому составу (глинистые грунты), степени неоднородности грануломет- рического состава (песчаные грунты), показателю текучести, величине относительной деформации набухания без нагрузки и относительной де- формации просадочности, степени влажности, степени плотности (песча- ные грунты); 2) несвязные грунты (с механическими структурными свя- зями и сыпучие в сухом состоянии); подгруппа: а) осадочные, вулкано- генно-осадочные и почвы; тип – минеральные (силикатные, силикатно- карбонатные и др.); виды: а) крупнообломочные – валунные, галечнико- вые (щебнистые), гравийные (дресвяные) грунты; разновидности – по коэффициенту выветрелости и истираемости (крупнообломочные грун- ты), относительному содержанию органического вещества (глинистые и песчанистые грунты, сапропели); б) песчаные: пески гравелистые, круп- ные, средней крупности, мелкие и пылеватые; разновидности – по степе- ни разложения и зольности (торф), степени засоленности, форме частиц (крупнообломочные и песчаные грунты), вещественному составу (карбо- натные грунты). III. Класс мерзлые грунты (с криогенными структурными связями). Группы: 1) скальные промерзшие; подгруппа – промерзшие эпигенетиче- ски (интрузивные, эффузивные, метаморфические и осадочные горные породы); тип – ледоминеральные, вид – все виды скальных промерзших грунтов; 2) дисперсные промерзшие; подгруппа – промерзшие син- и эпигенетически (осадочные и вулканогенно-осадочные горные породы); тип – ледоминеральные, минерально-ледяные, органоминерально- ледяные,органоледяные; вид – все виды промерзших дисперсных грун- тов; 3) ледяные; подгруппа – конституционные (внутригрунтовые), по- гребенные и пещерно-жильные; типы – лед; вид – лед сегрегационный, инъекционный, ледниковый, наледный, речной, озерный, морской, дон- ный, инфильтрационный (снежный), жильный, повторно-жильный, пе- щерный. Различаются разновидности по всем типам выделяются по: сте- пени морозной пучинистости, льдистости за счет видимых ледяных включений, температурно-прочностным свойствам, степени засоленно- сти, текстуре (табл. 3.7.1). В царстве техногенных грунтов также выделяются три класса. I. Класс скальные грунты. Группы: 1) скальные; 2) полускальные; подгруппы: природные образования, измененные в условиях естествен- ного залегания физическим или физико-химическим воздействием, ан- тропогенные образования; все типы и виды измененных природных скальных и реже дисперсных грунтов. |