СМР строй материалы. Самостоятельная работа №1. Самостоятельная работа 1 По мдк 01. 01. 01 Строительные материалы и изделия Грунтоведение Выполнил студент ii курса

• Название: Самостоятельная работа 1 По мдк 01. 01. 01 Строительные материалы и изделия Грунтоведение Выполнил студент ii курса
• Анкор: СМР строй материалы
• Дата: 27.05.2021
• Размер: 54.23 Kb.
• Имя файла: Самостоятельная работа №1.docx
• Тип: Самостоятельная работа; #210828

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

"АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДОЙ, ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА И ПЕЧАТИ"

Самостоятельная работа №1

По МДК 01.01.01 Строительные материалы и изделия

«Грунтоведение»

Выполнил студент II курса

Степанов Михаил Витальевич

Группы 9С-28

Преподаватель

Шмидт Вера Эрнстовна

Санкт-Петербург

2020

Содержание

Грунтоведение 3-6

Состав грунтов 7-11

Газы в грунтах 12-16

Строение грунтов 16-17

Состояния грунтов 18

Методы опр. Основных показателей свойств грунтов 19-25

Грунтоведение – это наука о грунтах. Понятие «грунт» до сих пор является неоднозначным, вокруг него ведется много споров и до конца вопрос определения этого термина до сих пор не решен.
Например, одним таким определением является следующее: 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.

Определение термина «грунт» дает возможность представить те задачи, которые призвано решать грунтоведение. Но естественно, любое название науки не описывает полностью всех ее положений, проблем, нерешенных вопросов.
При оценке свойств грунтов, выступающих в роли оснований, большое внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям. Однако следует помнить, что эти показатели в большой степени находятся в зависимости от многих других особенностей грунтов: химико-минерального состава, структуры и текстуры, характера взаимодействия грунтов с водой, степени их выветрелости и ряда других. Недоучет тех или иных особенностей свойств «грунтов-оснований» влечет за собой ошибки при проек­тировании и строительстве зданий и сооружений, что в итоге при­водит к утрате прочности грунтов в период эксплуатации.
Грунтоведение изучает свойства грунтов в зависимости от их состава и структурно-текстурных особенностей. Указанная зави­симость и является основным положением отечественной школы грунтоведения.
Совокупность состава и строения (структуры и текстуры) фунтов является выразителем их качества — внутренней сущно­сти и определенности того или иного фунта, которая отличает его от других фунтов. Внутренние связи, существующие в самом фунте, и внешние связи между фунтом и другими телами и определяют свойства фунтов.

В инженерной геологии термин «генезис» понимается в на­стоящее время более широко, чем буквальный перевод с грече­ского и чем принято сейчас в других геологических науках.

Речь идет не только об определенной форме осадконакопления, об определенном виде формирования осадков, но обо всех процес­сах, которые совершаются и в процессе формирования породы, и тогда, когда порода уже сформировалась, обо всех постгенетических процессах, иначе говоря, о всей геологической жизни поро­ды: от момента начала ее формирования и до того момента, ког­да порода становится предметом инженерно-геологического изучения.

Справедливо было бы говорить, что свойства грунтов зависят от их генезиса и постгенетических процессов, которые в них совершаются, но обычно мы упрощаем и говорим: состав, строение, а отсюда свойства грунтов зависят от генезиса.

Генетический подход при изучении грунтов является методологической основой грунтове­дения, как и большинства наук геологического цикла. Эта мето­дологическая основа должна использоваться и при решении практических вопросов — всегда должна прослеживаться связь между свойствами горных пород и процессами, которые их сформировали и на них впоследствии воздействовали. Это необ­ходимо как для полного познания качества породы, так и для прогноза изменений этого качества.

В грунтоведении, да и в инженерной геологии вообще существуют и широко применяются другие методы ис­следований. Например, механика грунтов для реализации количе­ственных методов требует схематизации процессов и некоторой формализации при создании моделей грунтов.

Определенная схематизация нужна и в грунтоведении, напри­мер при изучении отдельных свойств грунтов, так как сразу не­возможно познать сущность не только свойств их массивов, но и даже свойства самих грунтов. Если изучать породу целиком, то получить информацию об отдельных свойствах будет практически невозможно. Горные породы сами по себе сложно организован­ные системы, не говоря уже об их массивах. Исходя из этого свойства массивов оцениваются постепенно: от простых сис­тем — отдельных свойств, к более сложным — качеству всего грунта и далее к массиву фунта.

Порядок изучения массива фунтов:

• 
  первый этап — простейшие модели в виде мономинеральных, монодисперсных, моноионных систем;
  
• 
  второй этап — более сложные модели, в виде естественных минеральных масс с нарушенными связями (например, рыхлые осадочные образования) или смеси различного минерального со­става;
  
• 
  третий этап — образцы естественных грунтов в сохранном со­стоянии с природными структурными связями;
  
• 
  четвертый этап — грунты в естественном залегании в мас­сиве;
  
• 
  пятый этап, как конечная цель, — определение свойств мас­сивов грунтов, состоящих из различных по составу, строению и со­стоянию пород.
  

При всех видах воздействия на геологическую среду, в том числе и при строительстве, важнейшим свойством является со­противление грунтов действию различных внешних факторов. Это понятие при известной схематизации может пониматься как прочность грунтов. Но более важным представляется изучение процессов формирования прочности горных пород. Изучение этих процессов возможно только при сочетании трех направле­ний: геолого-петрографического, физико-химического, с позиций механики и с применением таких современных методов исследо­ваний, как рентгенография, электронная микроскопия и др.

Указанные методы исследований позволяют изучать грунты на микроуровне, но в последнее время все больше в грунтоведении изучаются свойства в массивах и оцениваются свойства массивов.

Особая актуальность этой проблемы возникает при рассмот­рении скальных грунтов. Это вызвано тем, что, например, проч­ность скальных грунтов в образцах при испытании на одноосное сжатие может составлять сотни МПа, а сам массив, из которого отобраны образцы, вследствие тектонической раздробленности, наличия литогенетической трещиноватости, выветрелости может быть настолько непрочным, что строительство на нем ответст­венных сооружений становится невозможным.

Таким образом, грунтоведение охватывает чрезвычайно широ­кий спектр вопросов — от характеристики внутреннего строения грунта до характеристики массивов.

Воде принадлежит огромная роль в геологических процессах, протекающих в земной коре, и, исходя из выводов В.И. Вернад­ского, мы никогда не сможем познать многие процессы диагене­за и литогенеза, если не будем знать геологической судьбы воды, ее геохимическую роль.

Степень минерализации, солевой и газовый состав подземных вод изменяются по глубине в земной коре, охватывая сверху вниз осадочный чехол и глубинные магматические и метаморфи­ческие породы.

В верхней части разреза в породах господствуют процессы разрушения и выщелачивания, иногда имеют место не­которые новообразования, например образование гипсов и кар­бонатов. В более низких зонах идут окислительно-восстановите­льные процессы с интенсивным новообразованием минералов, цементацией и вторичными изменениями пород. Еще ниже рас­сольные и соленые воды взаимодействуют с вмещающими их по­родами в течение длительного времени (по продолжительности вплоть до геологических периодов и даже эр). Вследствие этого устанавливается химическое равновесие между горными порода­ми и подземными водами.

Состав грунтов

Химический и минералогический состав грунтов.

Химический состав грунтов является одной из важнейших характеристик, опре­деляющих их свойства и состояние. При обычных исследованиях в составе инженерно-геологических изысканий для строительства обычно ограничиваются оценкой общего химического состава по результатам химического анализа по соляно-кислой и водной вы­тяжкам, иногда определяют валовый химический состав.

Но гораздо более важной характеристикой грунтов является их минералогический, или минеральный, состав, определяющий в конечном счете как саму породу, так и ее состояние и инженер­но-геологические свойства. Выше мы уже отмечали, что наиболее распространенными в горных породах являются примерно100 минералов. Содержание некоторых из них в породе составляет несколько десятков процентов. Эти минералы называют главными породообразующими. Другие обычно содержатся в породе в весьма незначительных количествах (доли процента), и их называют второстепенными, или акцессорными, минералами. Наконец, встречаются так называемые случайные минералы, или примеси, не являющиеся характерными для данной породы.

К числу наиболее распространенных минералов магматиче­ских горных пород (гранитов, диоритов, сиенитов, диабазов, по- рфиров, габбро, дунитов и т. д.) относятся полевые шпаты, доля которых может достигать 60 % общего минералогического состава породы; содержание кварца и пироксенов не превышает, как правило, 10—12 %; слюд — 5 %; оливина — 3 %. Остальные мине­ралы встречаются значительно реже.
Осадочные горные породы (песчаники, аргиллиты, алевроли­ты, глины, лессы, пески, известняки, мергели и др.) обычно со­держат в наибольшем количестве кварц, полевые шпаты, слюды; в качестве второстепенных встречаются минералы групп амфибо­лов и пироксенов, а такие минералы, как рутил, циркон, встре­чаются весьма редко.

Минералогический состав метаморфических горных пород (гнейсов, кварцитов, сланцев, мраморов) во многом отвечает со­ставу исходных материнских пород. Наряду с этими минералами встречаются типично метаморфические минералы — граниты, хлориты, эпидот.

Почти все минералы горных пород имеют, за редким исклю­чением, кристаллическое строение.

В связи с тем, что глинистые минералы активны в формиро­вании свойств многих горных пород, необходимо их рассмотреть более подробно.

Глинистые минералы - относятся к группе слоистых и сло­исто-ленточных силикатов и отличаются от других минералов класса силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, способностью к сорбции и поэтому к обмену. Высокая дисперс­ность глинистых минералов является их естественным физиче­ским состоянием.

Важным компонентом состава горных пород является органи­ческое вещество, или «биота» (хотя этот термин для геологии не является точным и актуальным, так как он по сути имеет больше геоэкологический или даже экологический смысл), которая на­капливается в земной коре в результате жизнедеятельности и от­мирания растительных и животных организмов. Наибольшее рас­пространение имеют растительные органические остатки, которые могут встречаться как в виде неразложившихся отмер­ших растений, так и в виде полностью разложившегося вещест­ва — гумуса.

Органическое вещество имеет почти повсеместное распро­странение в земной коре, особенно в ее верхней части, где оно накапливается в почвах, торфах, глинах (особенно старичных фа­ций) и реже в песках. В виде различных углей может слагать значительные по мощности залежи.

Для органического вещества, и особенно для его наиболее разложившейся части — гумуса, характерна высокая гидрофиль- ность и связанные с этим свойства, такие, как высокая влагоем- кость, высокая пластичность, низкая водопроницаемость, силь­ная сжимаемость и т. д. Присутствие в породах гумуса даже в незначительных количествах может коренным образом изменить их свойства, например, только 3 % гумуса в песке снижает его водопроницаемость в сотни раз, придает ему плывунные свойст­ва, водоустойчивость.

Состав и строение органического вещества являются сложны­ми. При разложении исходных растительных остатков, состоящих из углеводов, белков, дубильных веществ, смол и жиров, в почвах и породах могут возникать различные продукты распада, вплоть до образования углекислоты в воде. Одновременно, в результате син­тетических процессов идет гумификация растительных остат­ков — образуется гумус — вещество, которое не содержится в ис­ходных органических остатках и в продуктах их разложения.

Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов.

Большинство горных пород состоит из отдельных кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. Имеет­ся, правда, небольшое число горных пород с аморфным строени­ем (например, бурый железняк). Все эти элементы горных пород или связаны друг с другом прочными кристаллизационными свя­зями (магматические, метаморфические, часть осадочных пород), или же связи в породах отсутствуют (обломочные осадочные, вулканогенные рыхлые породы). Размеры элементов, слагающих горные породы, варьируют в значительных пределах — от тысяч­ных долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Естественно, такой диапазон размеров не может не сказаться на формировании свойств грунтов. Например, зернистость маг­матических горных пород во многом определяет их прочность и устойчивость к выветриванию (мелкокристаллические граниты более прочны и менее выветриваются, чем среднезернистые и тем более крупнокристаллические того же минералогического со­става). Это установлено и для метаморфических и многих оса­дочных пород.

Установлено, например, что мелкозернистые граниты из района г. Благовещенска имеют предел прочности на сжатие 70—80 МПа, а крупно- и среднезернистые их разности — лишь 34—36 МПа, при­чем после 25 циклов «замораживания — оттаивания» прочность соответственно снижается до 53—55 МПа у мелкозернистых и до 23—27 МПа у крупно- и среднезернистых гранитов.

Это является основанием для утверждения о целесообразно­сти подразделения горных пород по крупности слагающих эле­ментов и необходимости изучения их размеров. Что, кстати, по­зволяет для магматических и метаморфических пород оценивать не только структурные особенности, но и в определенной мере судить об их генезисе. Однако в магматических и метаморфиче­ских породах оценка соотношения размеров слагающих элементов возможна лишь качественно в специально подготовленных образцах — шлифах.

Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или, чаще всего, нескольких фракций. Под «фракцией» понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами.

Под гранулометрическим составом понимается количествен­ное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т. е. гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Его определение ведется специальными методами: ситовым, отмучиванием и др. Содержание фракции при этом выражается в про­центах по отношению к массе высушенного образца.

Гранулометрический состав изображается в виде графика, ко­торый, кроме того, позволяет составить мнение об однородности изучаемой горной породы по крупности частиц. При грануломет­рическом анализе в составе пород учитывается содержание в них первичных частиц, т. е. содержание отдельных обломков кристал­лов и горных пород.

Но в тонкодисперсных породах, наряду с первичными части­цами, имеются так называемые вторичные, образующиеся при соединении («слипании») нескольких первичных частиц и фор­мирующие микроагрегаты частиц.

Количество и размер первичных частиц в грунте определяют его первичную, или предельную, дисперсность. Вторичная, или природная, дисперсность, характеризуемая микроагрегатным составом, учитывает при анализе как первичные, так и вторичные частицы.

Для инженерно-геологической характеристики горных пород необходимо знать как гранулометрический, так и микроагрегатный состав. В связи с тем что гранулометрический состав харак­теризует предельную дисперсность, он является весьма удобным классификационным показателем. 

Микроагрегатный состав - отра­жающий степень агрегированное породы в данных условиях, используется для характеристики структурных связей в породе.

Микроагрегатный состав породы не является постоянным во времени, так как в породе непрерывно происходят образование и разрушение вторичных частиц, в связи с чем в отдельных фрак­циях изменяется содержание частиц. Гранулометрический состав породы на данном отрезке времени является величиной постоян­ной и изменяется только под влиянием длительных процессов, протекающих в породе; к числу таких процессов относится, на­пример, выветривание.

Определение того или иного петрографического вида или типа породы, т. е. классификация породы, и является конечным этапом изучения гранулометрического состава дисперсного грунта.

Различными специалистами разработаны гранулометрические классификации, которые можно подразделить на:

• 
  общие, стремящиеся охватить большую часть петрографиче­ских типов дисперсных грунтов;
  
• 
  частные, разработанные для какого-либо одного типа пород
  

Взаимосвязь минералогического состава грунта с размерами сла­гающих его элементов.

В осадочных породах на первичную дис­персность активно влияет минералогический состав этих пород, хотя размер слагающих элементов в связи с их минералогиче­ским составом может быть оценен и в других генетических клас­сах пород, в метаморфических в частности. Так, в крупном песке кварц преобладает над полевыми шпатами, в песке средней крупности полевые шпаты преобладают над кварцем, а в мелко­зернистом снова кварц занимает главенствующее положение.

Указанный факт вполне объясним, если при рассмотрении механизма переноса песчаного материала водным потоком учи­тывать такую важную характеристику минералов, как твердость.

Прочность кварца на истирание исходя из твердости выше, чем у полевых шпатов, поэтому дробление и обработка кварце­вых частиц при переносе протекают менее энергично и они на­капливаются в крупном песке в большом количестве, а частицы полевых шпатов — в среднезернистом. На частицы мелкого песка активное воздействие оказывают агенты химического выветрива­ния, а в водном потоке — также процессы выщелачивания и рас­творения. Под их воздействием полевые шпаты в мелком песке интенсивнее разрушаются, чем кварц, который и становится пре­обладающим в мелком песке минералом.

Аналогичная зависимость между минералогическим составом и дисперсностью пород прослеживается у глинистых и лессовых пород. Чем выше в породе содержание глинистых минералов, тем выше ее дисперсность. Таким образом, породы определенно­го минералогического состава имеют вполне определенные струк­турно-текстурные особенности.

Газы в грунтах.

Грунты, как известно, обладают пористостью; наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры одним из этих компонентов, грунты будут представлять собой двух- или трехкомпонентную систему. Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.

Объем пор определяет предельные значения количества воды и газов в грунтах: чем больше поры заполнены водой, тем мень­ше в них газов, и наоборот. Преобладающий компонент (вода или газ) в очень большой мере определяет свойства фунтов.

Интенсивность газообмена между фунтом и атмосферой зави­сит от их состава и строения и вызывается диффузным переме­шиванием газов, колебаниями температуры и давления, атмо­сферного воздуха, атмосферными осадками и ветром.

Между атмосферным воздухом и газовой составляющей фун­тов различия наиболее велики в количественном содержании ди­оксида углерода, кислорода и азота. Если в атмосферном воздухе углекислота составляет лишь сотые доли процента (около 0,03 %), то содержание ее в почвах и горных породах возрастает до десятых долей и даже целых процентов, а в почвенном возду­хе может достигать почти 10 %.Кислород и азот в толще фунтов содержатся в разных количествах.

Газы в порах фунтов могут находиться в различном состоя­нии: свободном, адсорбированном и защемленном, кроме того, в во­де, заполняющей поры, газы могут присутствовать в виде мелких пузырьков или быть растворенными в ней.

Адсорбированные и защемленные газы оказывают определен­ное влияние на свойства фунтов. Количество адсорбированных газов на поверхности фунтовых частиц, удерживаемое молеку­лярными силами, зависит от минералогического состава фунтов, наличия в них гумуса и других органических веществ и соедине­ний, от степени дисперсности, неоднородности, морфологиче­ских параметров частиц фунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих фунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5—10 % становится равным нулю.

При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в фунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении фунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри фунта. Это так называемые «защемленные газы» или «за­щемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры. Защемленные газы занимают значительные участки в толще фунта или находятся в небольших количествах в тончайших микропорах фунта, что является обыч­ным для пылеватых и глинистых фунтов. Максимальное количество защемленных газов, в отличие от адсорбированных, формируется в грунтах при какой-то оптима­льной для данного грунта влажности. Например, в глинистых грунтах защемленные газы могут занимать до 20—25 % объема пор грунтов.

Адсорбированные и защемленные газы с большим трудом удаляются из грунтов внешним давлением. Выявлено, что четвер­тичная покровная глина и юрская морская глина при естествен­ной влажности сохраняли в себе газы даже после уплотнения их нагрузкой 200 МПа.

Наличие в грунтах адсорбированных и защемленных газов обусловливает многолетнюю осадку насыпей из глинистых грун­тов, деформации и разрывы земляных насыпей, уменьшение во­допроницаемости грунтов

Вода в грунтах. Классификация видов воды в грунтах.

В зави­симости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; свя­занная — прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная — капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная (рис. 50).

Парообразная вода. Наряду с другими компонентами в состав грунтовой атмосферы входит водяной пар. Обычно количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того что может сво­бодно передвигаться в грунте при незначительной его влажности (что отличает его от всех других видов воды в грунтах), а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых ча­стиц образуются другие виды воды.

Парообразная вода в грунте находится в постоянном динами­ческом равновесии с другими видами воды, например, с гигро­скопической и с водяным паром в атмосфере. Парообразная вода способна при определенных условиях конденсироваться.

Возможность образования из парообразной воды других видов связана со способностью и интенсивностью адсорбции парооб­разной воды минеральными частицами.

Интенсивность адсорбции определяется различными фактора­ми, в частности, она зависит от относительной упругости водя­ного пара. С ростом упругости количество адсорбируемой влаги возрастает. Около 50 % конденсационной воды адсорбируется по­верхностью грунтовых частиц, а оставшаяся часть конденсируется в микропорах грунта, где она переходит в связанную воду.

Особенностью адсорбции водяного пара на поверхности грун­товых частиц является то, что помимо отдельных молекул формируются комплексы молекул водяното пара, а это сказывается как на количестве адсорбированной влаги, так и на интенсивности ее взаимообмена с грунтовой атмосферой и с атмосферой вообще.

Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздействует на их естественную влажность.

Связанная вода

Еще в начале нашего века специалистами, изучавшими поведение почв и грунтов, установлено, что минера­льные частицы в них окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к ми­неральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан.

Современные исследования подтвердили изложенные предпо­ложения, и было установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 %всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связан­ной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства.

По своим характеристикам связанная вода существенно отли­чается от свободной воды (в частности, от той, которую мы знаем в обыденной жизни). Средняя плотность ее лежит в диапазоне 1,20—1,40 г/см³. Здесь небезынтересно отметить, что существую­щими способами, например механическими, удается лишь уплот­нить воду на доли процента, и обычно во всех расчетах в диапазо­не нагрузок, возникающих в строительной практике, вода принимается как практически несжимаемая жидкость. Связанная вода перемещается в грунтах в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, большего содержа­ния глинистых минералов, в сторону падения температур грунта. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к — 4 °С.

Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода.

Максимальное количество прочносвя­занной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при адсорбции грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100%.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей, каждая из которых существенно влияет на свойства пород; на­пример, так называемая вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные пленки воды, вследствие этого величина связи междуотдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех ви­дов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к мак­симальной гигроскопичности, указанная потеря прочности гли­нистыми грунтами весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности ми­неральных частиц, а также составом обменных катионов в них.

В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвя­занной воды лежит в пределах 0,2—30 % (в монтмориллонитовых глинах содержание этой воды доходит до 20%, а в каолинитовых — всего около 1%).

Рыхлосвязанная вода

По своим свойствам существенно отлича­ется от прочносвязанной, например, имеет плотность, близкую к плотности свободной воды. Остановимся на этой разновидности воды несколько подробнее. Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в значительно меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весьма близка к поведению прочносвязанной влаги, но она подвижнее и диполи молекул воды в водной оболочке со­риентированы относительно частицы грунта в значительной мере хуже. Суммарное содержание всех видов прочносвязанной и пле­ночной воды составляет влажность, которая называется максима­льной молекулярной влагоёмкости грунтов. Величина максимальной молекулярной влагоемкости показывает, какое ко­личество связанной воды содержится в грунте под воздействием поверхностных сил притяжения грунтовых частиц. Максимальная молекулярная влагоемкость у песка в среднем около1—2%, а в монтмориллонитовых глинах может достигать почти 135 %.

Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма сла­бо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды и по структуре и свойствам практически от нее не отличается.
Наличие в грунтах осмотической влаги обусловливает, особен­но в глинистых грунтах, их пластичность во вполне определен­ных для различных грунтов диапазонах влажности.

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 фунта (независимо от их размера).

Все структурные элементы (минеральные зерна и обломки), которые являются слагающими горных пород, связаны между со­бой структурными связями. Эти связи отличаются друг от друга своей энергией; они могут быть прочными, кристаллизационны­ми (в этом случае их энергия соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов); они могут быть весьма слабыми, едва проявляющимися в обычных условиях и практически не оказывающими влияния на инженерно-геоло­гические свойства горных пород.

Типы структурных связей. 

Структурные связи являются одной из самых важных характеристик горных пород; от них во многом зависят их инженерно-геологические свойства и состояние. Внутрикристаллические химические связи определяют прочность минеральных зерен — кристаллов, достигающую весьма высоких зна­чений в десятки и сотни МПа. Средняя прочность магматических и метаморфических горных пород равна примерно 500 МПа, оса­дочных сцементированных — 400 МПа, в то же время у некоторых дисперсных несцементированных пород она снижается практиче­ски до нуля. Но прочность горных пород определяется не столько прочностью минеральных зерен, сколько прочностью связи между ними, т. е. структурными связями.

В зависимости от характера проявления молекулярных и мо­лекулярно-ионно-электростатических сил связи, выражающегося прежде всего в степени агрегации первичных частиц, выделяется несколько типов структур дисперсных пород:

• 
  стабилизационная структура; возникает в тонкодисперсных фунтах при наличии на поверхности минеральных частиц актив­ных гидрофильных стабилизаторов, препятствующих слипанию (коагуляции) частиц под влиянием сил молекулярного притяже­ния, например, пленки гидрофильного органического вещества. К породам со структурой такого типа можно отнести карельские четвертичные перигляциальные глины; истинные плавуны; май­копские глины Предкавказья; поволжские глины нижнемелового неокомского возраста; глины кембрийского возраста, распростра­ненные в Санкт-Петербурге; мергели мелового туронского возрас­та и ряд других;
  
• 
  коагуляционная структура; встречается в породах, в составе которых до 1,5 % электролитов. В этих условиях, как известно, возникает структурная коагуляция, которая приводит к образова­нию в породах рыхлого структурного каркаса. К породам, облада­ющим такого типа структурой, относят высокодисперсные глины Заволжья, так называемые хвалынские; монтмориллонитовые гли­ны киммериджского и оксфордского ярусов юрского возраста;
  
• 
  пластифицированно-коагуляционная структура; формируется при структурной коагуляции, когда в породах присутствуют орга­нические соединения, обладающие пластифицирующими свойст­вами, часто в присутствии карбонатов кальция, причем в поровом растворе элеетролиты должны обладать концентрацией от 0,3 до 10 %. Примером пород с этим типом структуры могут служить глинистый мел туронского яруса мелового возраста; современные черноморские илы; озерные глины; отдельные горизонты морских отложений Каспийского моря; так называемые спондиловые глины;
  
• 
  смешанная коагуляционно-кристаллизационнаяиликоагуляци­онно-цементационная структура; образуется при одновременном проявлении ионно-элекфостатических взаимодействий и сил хи­мической природы, поэтому сформированные структурные связи отличаются от перечисленных связей других типов структуры зна­чительно большей прочностью и хрупкостью. Рассматриваемый тип структуры встречается в типичных лессах; мергелях мелового периода кунгурского и сантонского ярусов; в типичном чистом писчем меле; аргиллитоподобных юрских глинах; сланцеватых юр­ских и нижнемеловых глинах; современных покровных суглинках.
  

Состояние грунтов

В последнее время специалисты в инженерной геологии уделя­ют большое внимание такой важной категории оценки грунтов, как их состояние. Понятие «состояние грунтов» мы уже рассмат­ривали, здесь попытаемся несколько упорядочить изложенные ра­нее сведения. Следует отметить, что пока нет четко сформулиро­ванного определения этой категории. К числу характеристик, определяющих состояние грунтов, относят степень трещиновато­сти, выветрелости, влажности, водонасыщенности, плотностии др. Такие характеристики, как трещиноватость и выветрелость, опре­деляют свойства пород в образце и в массиве; как известно, такая величина, как предел прочности на сжатие в образце, существенно превышает ее значения в массиве, иной раз до двух порядков. Сте­пень выветрелости имеет несколько иное влияние на формирова­ние свойств грунтов в образце и в массиве. Трещины выветрива­ния обычно заполнены вторичным минеральным материалом, а это, естественно, резко повышает неоднородность массива, тем са­мым уменьшая или, точнее, меняя прочностные, деформационные и фильтрационные свойства пород в массиве.

Степень влажности чаще всего учитывают при оценке свойств дисперсных фунтов. Она определяет возникновение, «оживле­ние» и развитие таких неблагоприятных явлений и процессов, как оползни, солифлюкция, в отдельных случаях способствует селеобразованию и ряду других явлений. Степень влажности ска­зывается на деформационно-прочностных характеристиках масси­вов фунтов, на консолидации фунтов в основании сооружений при приложении к ним нафузок инженерных сооружений. Очень близко к степени влажности стоит степень водонасыщенности, более применимая в настоящее время к скальным трещиноватым фунтам. Эти две категории определяют способность фунтов де­формироваться под нафузкой, консолидироваться; существенно влияют на прочностные характеристики массивов фунтов; в кли­матических зонах, подверженных резким колебаниям температур, в районах распространения мерзлых фунтов степень влажности и степень водонасыщенности их значительно влияют на морозо­стойкость пород в массиве.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Каждый фунт имеет свои, только ему присущие строительные свойства. В оценке свойств фунтов, входящих в расчеты оснований фундаментов, наибольшее значе­ние имеют физико-механические характеристики. Значения пока­зателей этих характеристик позволяют выполнять необходимые расчеты при проектировании зданий и сооружений.

Характеристики физических свойств выражают физическое со­стояние фунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механи­ческими подразумевают такие свойства, которые появляются в фунтах под воздействием внешних усилий (давления, удара). Ме­ханические свойства оцениваются прочностными и деформаци­онными характеристиками фунтов.

Показатели физических и механических свойств скальных и не­скальных фунтов между собой довольно значительно различаются, особенно физические. Некоторые основные физические и механические свойства скальных и нескальных грунтов

Характеристика скальных грунтов:

Физическая	Механическая
Плотность р, т/м3 Коэффициент размягчения kpJСтепень растворимости в воде Степень выветрелости квсКоэффициент трещиноватости к,рПористость п, %	Прочность — сопротивление одноосному сжатию R,., МПа Деформативность — модуль деформации Е, МПа

Характеристика дисперсных грунтов

Физическая	Механическая
Гранулометрический состав Плотность, т/м3: сухого грунта pdчастиц р, Влажность природная W Степень влажности SrПористость и, % Коэффициент пористости е Число пластичности /р, % Показатель консистенции J Коэффициент фильтрации кф, м/сут	Прочность: временное сопротивление сжатию Л,., МПа сопротивление сдвигу С (кПа), ф (град) Деформативность — модуль деформации Е, МПа

К физическим свойствам нескальных грунтов, определяемых экспериментально и используемых непосредственно в расчетах оснований, относятся коэффициент фильтрации к_ф и плотность грунтов р. Важными расчетными характеристиками являются ко­эффициент пористостие ,степень влажности S_r и показатель те­кучести J_L. Они характеризуют состояние грунтов. По наименованию грунтов и их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести J_Lхарактеризует подвижность глинистых частиц при механических воздействиях на грунт. Значение S_r отражает степень заполнения пор грунтов водой.

Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, при­ложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности R^, МПа, или временным сопротивлением сжатию.

На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, сте­пень размягчаемости в воде и др. Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдви­гу. Определение этого показателя необходимо для расчета устой­чивости оснований, т. е. несущей способности, а также для оцен­ки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивле­ние сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига ф, град., и сцепления С, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом час­тями грунта, а под вторыми — сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Грунты определяют устойчивость возводимых на них зданий и сооружений, поэтому необходимо правильно определять характе­ристики, которые обусловливают прочность и устойчивость грун­тов при их взаимодействии со строительными объектами.

Химико-минеральный состав, структуры и текстуры грунтов, содержание органического вещества определяются в геологиче­ских лабораториях, оснащенных необходимой аппаратурой (рент­ген, электронный микроскоп и т. д.). Физико-механические свой­ства грунтов изучают в грунтоведческих лабораториях и в полевых условиях, т. е. непосредственно на будущих строитель­ных площадках. Методика определения физико-механических свойств выбирается в зависимости от состава и состояния грун­тов, условий их поведения в основании как при строительстве, так и в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Особое внимание при этом обращается на достоверность получаемых ре­зультатов, так как грунты и грунтовые напластования весьма из­менчивы в пространстве и во времени.

По каждой физико-механической характеристике грунтов вы­полняется несколько определений и проводится их статистиче­ский анализ. Количество определений зависит от характера грун­тов, назначения сооружения и его конструктивных особенностей. В частности, как правило, для каждого инженерно-геологическо­го элемента минимальное количество определений должно быть не менее шести и только в случаях продолжительных полевых испытаний значения механических характеристик устанавливается по данным трех испытаний.

Грунтоведческая лаборатория. 

Образцы грунтов для лаборатор­ных исследований отбираются по слоям грунтов в шурфах, в бу­ровых скважинах, которые располагают на исследуемых строите­льных площадках.

В лабораторию образцы грунтов доставляют в виде монолитов или рыхлых проб. Монолиты — это образцы фунтов с ненару­шенной структурой. Такие монолиты отбирают в скальных и связных (пылевато-глинистых) фунтах. Размеры монолитов должны быть не меньше установленных норм. Так, для определе­ния сжимаемости фунта, пробы, отбираемые в шурфах, должны иметь размеры 20 х 20 х 20 см. В монолитах пылевато-глинистых фунтов при этом должна быть сохранена природная влажность. Это достигается созданием на их поверхности водонепроницае­мой парафиновой или восковой (иногда битумной) оболочки. В рыхлых фунтах (песок, фавий и т. д.) образцы отбирают в виде 194 проб определенной массы. Так, для проведения гранулометриче­ского анализа песка необходимо иметь пробу не менее 0,5 кг.

В лабораторных условиях можно определять все физико-меха­нические свойства грунтов. Каждая характеристика этих свойств определяется согласно своему ГОСТу, например, природная влаж­ность и плотность грунта — ГОСТ 5180—84, предел прочнос­ти — ГОСТ 17245—79, гранулометрический (зерновой) и микроагрегатный состав — ГОСТ 12536—79 и т. д.

Лабораторные исследования на сегодня остаются основным видом определения физико-механических свойств грунтов. Ряд характеристик, например, природная влажность, плотность час­тиц грунта и некоторые другие определяются только в лаборатор­ных условиях и с достаточно высокой точностью. В то же время лабораторные исследования грунтов имеют свои недостатки:

• 
  они довольно трудоемки и требуют больших затрат времени;
  
• 
  результаты отдельных анализов, например определение мо­дуля общей деформации, не дает достаточно точных результатов, что бывает связано с неправильным отбором монолитов, неправи­льным их хранением, низкой квалификацией исполнителя анализа;
  
• 
  определение свойств массива грунта по результатам анализов небольшого количества образцов не позволяют получать верное представление о его свойствах в целом.
  

Деформационные испытания грунтов. Сжимаемость грунтов изучают методами штампов, прессиометрами, динамическим и статическим зондированием.

Метод штампов.

В нескальных грунтах на дне шурфов или в забое буровых скважин устанавливают штампы, на которые пере­даются статические нагрузки (ГОСТ 20276—85).Штамп в шур­фе— это стальная или железобетонная плита. Форма штампа на­ходится в зависимости от фундамента, который он моделирует, и может быть различной, но чаще всего плита круглая площадью 5000 см². Для создания под штампом заданного напряжения при­меняют домкраты или платформы с грузом.

Зондирование (или пенетрация)используется для изучения толщ пород до глубины 15—20 м. Сущность метода заключается в определении сопротивления проникновению в грунт металли­ческого наконечника (зонда). Зондирование дает представление о плотности и прочности грунтов на определенной глубине и ха­рактеризует изменение в вертикальном разрезе.

Зондирование относится к экспресс-методам определения ме­ханических свойств фунтов и применяется в целях ускоренного получения результатов исследований. Этот метод используется при изучении песчаных, глинистых и органогенных фунтов, ко­торые не содержат или мало содержат примесей щебня или галь­ки. По способу погружения наконечника различают зондирова­ние динамическое и статическое. При статическом зондировании конус в фунт залавливается плавно, а при динамическом его за­бивают молотом.

Статическое зондирование позволяет:

• 
  расчленить толщу фунта на отдельные слои;
  
• 
  определить глубину залегания скальных и крупнообломочных фунтов;
  
• 
  установить приблизительно плотность песков, консистенцию глинистых фунтов, определить модуль деформации;
  
• 
  оценить качество искусственно уплотненных фунтов в насы­пях и намывных образованиях;
  
• 
  измерить мощность органогенных фунтов на болотах.
  

Динамическое зондирование дает возможность определять:

• 
  мощность толщ современных (четвертичных) отложений;
  
• 
  фаницы между слоями;
  
• 
  степень уплотнения насыпных и намывных фунтов.
  

Прочностные испытания грунтов. Оценка сопротивления фун­тов сдвигу в полевых условиях выполняется как в скальных, так и в нескальных фунтах. Сопротивление фунтов сдвигу определя­ется предельными значениями напряжений, при которых начина­ется их разрушение.

В скальных грунтах опыты проводят в строительных котлова­нах, в которых оставляют целики в виде ненарушенного фунта столбчатого вида. К целикам прикладывают горизонтальное сдви­гающее усилие. При этом для правильного определения внутрен­него трения и удельного сцепления опыт проводят не менее чем на трех столбчатых целиках.

Опытные строительные работы. 

При строительстве объектов I класса полевые исследования грунтов приобретают особо важное значение. В ряде случаев прибегают к опытным строительным работам, т. е. к испытаниям грунтов строительными конструкция­ми. Приведем примеры таких работ.

Опытные сваи.

В пылевато-глинистый грунт строительной площадки забивают железобетонную сваю, при этом наблюдают за характером погружения сваи и сопротивляемостью грунта. На сваю дают нагрузку и определяют ее несущую способность, как в условиях природной влажности грунта, так и при его замачивании. Результаты испытаний сравнивают с расчетными данными, полученными на основе лабораторных исследований грунта.

Опытные фундаменты.

Строят фундамент будущего здания в натуральную величину и на проектную глубину. На фундамент дают нагрузку, соответствующую нагрузке от будущего здания, и ведут наблюдения за сжатием фунта основания. Так определя­ется реальная несущая способность грунта и осадка будущего объекта.

Опытные здания.

Лессовые фунты обладают просадочными свойствами. Количественную оценку этих свойств производят по данным лабораторных исследований и полевых испытаний фун­тов. Несмотря на такую комплексную оценку просадочных свойств не всегда удается правильно оценить будущую устойчи­вость здания. Для решения этого вопроса строят здания в нату­ральную величину. Лессовые основания насыщают водой, что ис­кусственно вызывает просадочный процесс. В этот период проводят наблюдения за характером развития просадочного про­цесса, определяют значения просадок, оценивают состояние кон­струкций зданий.

Обработка результатов исследований грунтов. 

Оценку свойств массивов фунтов проводят на основе физико-механических ха­рактеристик, которые получают по нормативным документам, в результате лабораторных исследований отдельных образцов фун­тов и полевых работ на территории массива. Полученные в лабо­ратории и в поле характеристики отвечают только тем точкам, где были отобраны образцы и проведены полевые испытания фунтов. В связи с этим разрозненные результаты исследований и нормативные показатели необходимо обобщить, т. е. статистиче­ски обработать с целью получения усредненных значений и уста­новления их применимости для всего массива фунта. После та­кой обработки результаты исследований можно использовать в расчетах оснований. Такую работу чаще всего выполняют мето­дом математической статистики.

Стационарные наблюдения 

При инженерно-геологических и гид­рогеологических исследованиях проводят за развитием неблаго­приятных геологических процессов (карстом, оползнями и др.), режимом подземных вод и температурным режимом многолетне­мерзлых пород. Заключаются они в выборе характерных участков для наблюдений, установке сети реперов, инструментальных на­блюдениях за их перемещением и т. д. Наблюдения ведут в период эксплуатации зданий и сооружений, но они могут быть начаты и в период их проектирования. Продолжительность работ — до 1 года и более.

Список используемой литературы:

Инженерная геология. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Высшая Школа, Москва, 2005 г.