учебное пособие геология инженерные изыскания. Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей
 Скачать 2.75 Mb.
|
|
Задача 4.2. Из числа названных ниже горных пород необходимо выделить растворимые в воде [2]. Вари- анты Горные породы Вари- анты Горные породы 1 Гранит, гипс, песок, известняк, мергель, суглинок 9 Гнейс, диорит, известняк, каменная соль, глина 2 Известняк, аргиллит, базальт, сланец, мрамор, глина 10 Алевролит, мрамор, липарит, ангидрит, супесь, щебень 3 Доломит, глина, алевролит, гипс, ил, песок 11 Известняк, глина, трахит, мергель, гипс, ил 4 Глина, ангидрит, трахит, доломит, каменная соль 12 Мергель, известняк, базальт, каменная соль, опока, глина 5 Кварцит, сиенит, известняк, каменная соль, супесь 13 Трахит, аргиллит, ангидрит, сланец, мрамор, брекчия 6 Гнейс, мрамор, диабаз, ангидрит, глина, гравий 14 Опока, глина, диорит, гипс, кварцит, песок 7 Известняк, суглинок, порфирит, мергель, гипс, торф 15 Липарит, доломит, мрамор, каменная соль, сланец, аргиллит 8 Опока, известняк, габбро, каменная соль, кварцит, глина 16 Обсидиан, песок, ангидрит, алевролит, опока, диабаз 5. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ Грунтоведение — это наука о грунтах. Под грунтом следует понимать любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека [1]. При оценке свойств грунтов, выступающих в роли оснований, большое внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям. Однако следует помнить, что эти показатели в большей степени находятся в зависимости от многих других особенностей фунтов: химико- минерального состава, структур и текстур, 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 потере несущей способности грунтов в период эксплуатации. 29 5.1. Гранулометрический и микроагрегатный состав грунтов Количественные соотношения и размер слагающих грунты элементов имеет огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов [1]. Большинство горных пород состоят из отдельных кристаллов, их обломков или агрегатов обломков и целых кристаллов. 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, варьируются в значительных пределах – от тысячных долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Естественно такой диапазон размеров не может не сказаться на формировании свойств грунтов. Количественные соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах являются одними из основных классификационных показателей. 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. 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. Микроагрегатный состав, отражающий степень агрегированности породы в данных условиях, используется для характеристики структурных связей в породе. Микроагрегатный состав породы не является постоянным во времени, так как в породе непрерывно происходит 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 30 только под влиянием длительных процессов, протекающих в породе, к числу таких процессов относится, например, выветривание. 5.2. Газы в грунтах Грунты 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 [1]. 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 грунтов. Газы в порах грунтов 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. Количество адсорбированных газов на поверхности грунтовых частиц, удерживаемое молекулярными силами, зависит от минералогического состава грунтов, наличия в них гумуса и других органических веществ и соединений, от степени дисперсности, неоднородности, морфологических параметров частиц грунта и его пористости. В наибольшем количестве адсорбированные газы содержатся в абсолютно сухих грунтах, по мере увлажнения их содержание уменьшается и при влажности 5 – 10 % становится равным нулю. При увлажнении, связанном с капиллярным поднятием воды в грунтах, газы из открытых пор вытесняются в атмосферу. При одновременном избыточном увлажнении грунта снизу и сверху в отдельных его участках газы оказываются замкнутыми в порах внутри грунта. Это гак называемые «защемленные газы» или «защемленный воздух», часто являющийся характерным для пород поверхностных зон земной коры. 5.3. 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 [1]. 31 Рис.5.1. Виды воды в грунтах 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. Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздействует на их естественную влажность. Связанная вода. Минеральные частицы в них окружены рядом концентрических слоев воды. Слои вод: 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. Связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 % от 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/см. 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. Связанная вода замерзает при температуре, близкой к – 4 °С. Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Содержание прочносвязанной воды в дисперсных фунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных 32 частиц, и 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. 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. 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. Свободная вода делится на два вида: капиллярная и гравитационная. Капиллярная вода формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя над грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. Мощность капиллярной каймы определяется высотой капиллярного поднятия Н к . Капиллярное поднятие зависит от ряда факторов, например, степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта (например, в песках она равна в среднем 50 см, а в супесях и других глинистых грунтах доходит до 2—3 м). Гравитационная (просачивающаяся) вода – вода в обычном представлении, ее перемещение обуславливается силами тяжести. Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называемая конституционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. 5.4. Строение грунтов. Типы структурных связей Под строением грунтов понимают совокупность их структурно- текстурных особенностей, т.е. структуру и текстуру. В настоящее время под структурой грунта понимают размер, форму, характер поверхности, количественное соотношение слагающих его элементов и характер взаимосвязи их друг с другом, а под текстурой – пространственное расположение слагающих элементов грунта [1]. 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 33 весьма высоких значений в десятки и сотни МПа. Но прочность горных пород определяется не столько прочностью минеральных зерен, сколько прочностью связи между ними, т. е. структурными связями. Формирование структурных связей происходит в результате сложнейших физико- химических процессов: кристаллизации, старения, конденсации содержащихся в породе соединений, а также адсорбции, миграции, пропитки и кристаллизации проникающих в горную породу цементирующих веществ из окружающей среды. Влияние проникающих веществ из окружающей среды может носить и «регрессивный» характер, т. е. сложившиеся в породе структурные связи могут разрушаться или переходить в новые, отличающиеся своей энергией, а в конечном счете прочностью, связи между минеральными зернами. На первом этапе, в момент образования горных пород (остывание магмы, перекристаллизация при метаморфических процессах, осадко- накопление и т. п.), в них возникают первичные структурные связи. На следующих этапах существования горной породы под влиянием уплотнения, выветривания, инфильтрации и растворения водой и растворами в породе возникают вторичные структурные связи. Одно- временно с этим возможно изменение в ту или иную сторону первичных структурных связей. В различных генетических типах пород развиты или преобладают различные структурные связи, обусловленные различной природой формирования и проявления. В магматических, метаморфических и некоторых осадочных сцементированных породах широко развиты связи химической природы; в тонкодисперсных несцементированных породах связь между отдельными минеральными частицами породы осуществляется за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий, которые в инженерно-геологической литературе по- лучили название водно-коллоидных связей. Природа химической связи отвечает природе внутрикристаллических связей минералов. Химическая связь возникает при непосредственном (истинном) контакте минеральных зерен друг с другом, а также при наличии в пространстве между минеральными зернами прочного це- ментирующего вещества, которое скрепляется с наружными плоскими сетками кристаллических решеток минеральных зерен. Химическая связь является наиболее прочным типом структурных связей. В осадочных породах образование структурных связей происходит в результате инфильтрации природных растворов и выпадения из них солей или при осаждении в поровом пространстве таких соединений, как коллоидный кремнезем или гидроксиды железа, дальнейшем их старении и кристаллизации на контактах между зернами. По своей природе химическая связь представляет собой силы гравитационного, магнитного и 34 электрического характера. В основе химической связи лежит электрическое взаимодействие между атомами. Более сложный характер имеет молекулярная и ионно- электростатическая связь. Известно, что при сближении атомов или даже двух микроскопических сил между ними в определенных условиях возможно взаимодействие благодаря молекулярным (Ван-дер-Ваальсовым) силам, которые носят универсальный характер. Энергия этого типа структурных связей значительно меньше, чем при проявлении химической связи, однако молекулярные силы играют важную роль в формировании связей между частицами в тонкодисперсных грунтах. Наиболее оптимальными условиями для проявления молекулярных связей являются высокая плотность и низкая влажность тонкодисперсных пород. Поэтому глинистые грунты всегда имеют максимальную прочность в сухом состоянии. Однако в природе большинство дисперсных грунтов содержит то или иное количество влаги. Поэтому структурные связи во влажных дисперсных грунтах носят значительно более сложный характер, так как там наряду с молекулярными силами притяжения проявляются расклинивающие силы притяжения гидратных оболочек вокруг твердых минеральных частиц, которые направлены противоположно молекулярным силам, а кроме того, возникают силы взаимодействия ионно- электростатического характера. Это взаимодействие связано с возникновением электрического заряда у твердых минеральных частиц и образованием диффузного слоя ионов вокруг них. Вследствие этого во влажных тонкодисперсных грунтах правильнее говорить о молекулярно- ионно-электростатических связях. Такой тип связей проявляется в глинах, некоторых разновидностях мела и мергеля. 5.5. Физические свойства и классификация грунтов Инженерно-геологические свойства горных пород являются весьма емким понятием, охватывающим их физические, водно-физические и механические свойства. В данном разделе рассматриваются наиболее характерные физические свойства рыхлых дисперсных грунтов, которые используются для классификации грунтов, для выполнения расчетов, для косвенной оценки прочностных и деформационных свойств [1]. Методы лабораторного определения физических характеристик определены в ГОСТ 5180-2015. Классификация грунтов по физическим характеристикам производится по ГОСТ 25100-2011. Плотность грунта – это отношение массы породы, включая массы воды в её порах, к занимаемому этой породой объему. Плотность грунта зависит от пористости, влажности, минералогического состава и может находиться в пределах от 1,3 до 2,2 г/см 3 35 V m , г/см 3 , (5.1) где m – масса породы с естественной влажностью и сложением, г; V – объем грунта, см 3 Для определения плотности чаще всего применяют метод режущего кольца. Суть его заключается в том, что кольцо известного объема V врезается в грунт, а затем путем взвешивания определяют массу m грунта, заключенного в кольце. Удельный вес грунта можно найти через его плотность: g , кН/м 3 , (5.2) где g– ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с 2 Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта: s s s V m , г/см 3 , (5.3) где m s – масса абсолютно сухого грунта, г; V s – объем твердой части грунта, см 3 Удельный вес частиц грунта s вычисляют через их плотность: g s s , кН/м 3 . (5.4) Влажностью W называют отношение массы воды m W , содержащейся в порах грунта, к массе сухого грунта m S : 100 m m W s w , % (5.5) В лаборатории влажность определяют весовым методом путем взвешивания пробы влажного грунта и после его высушивания в сушильном шкафу при температуре 100-105 0 С до постоянной массы. При изменении влажности свойства глинистых грунтов существенно меняются. В зависимости от содержания воды, количества и минералогического состава глинистых частиц грунт может иметь твердую, пластичную или текучую консистенцию. Для классификации глинистых грунтов и оценки их состояния по консистенции необходимо знать те характерные влажности, при которых грунт переходит из твердого состояния в пластичное, а из пластичного состояния в текучее. Характерные влажности W p и W L называют также границами пластичности: W p – нижний предел пластичности, W L – верхний предел пластичности. Кроме того, часто используют термины: W P – граница раскатывания, W L – граница текучести. Введение границ между 36 консистенциями достаточно условно. Поэтому для их определения ГОСТ 5180-2015 предусматривает стандартные испытания, условия которых следует тщательно исполнять. Нижним пределом пластичности Wp или границей раскатывания считают такую влажность, при которой грунт, раскатываемый в жгут диаметром 3 мм, начинает распадаться на кусочки длиной 3-8 мм. Определение границы раскатывания состоит в подборе (путем подсушивания) такой влажности, при которой из грунта удается получить требуемый жгут. Верхним пределом пластичности W L или границей текучести подразумевают такую влажность, при которой стандартный конус весом 76 г с углом при вершине 30 погружается в грунтовое тесто на 10 мм за 5 с. Числом пластичности I р называют разность влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести W L и на границе раскатывания W p : I р = W L – W p , % (5.6) Число пластичности характеризует величину интервала влажности, в пределах которого глинистый грунт сохраняет пластичное состояние. Показателем текучести I L называют отношение разностей влажностей, соответствующих двум состояниям грунта, естественному W и на границе раскатывания W p к числу пластичности I р : p p L I W W I , д. ед. (5.7) Показатель текучести I L используется для численной оценки консистенции грунта. Поэтому нередко его еще называют и показателем консистенции. Плотностью сухого грунта d называют отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта при ненарушенной структуре: V m s d , г/см 3 (5.8) Величина d характеризует плотность сложения грунта, особенно широко используется для оценки качества уплотнения грунтов в подушках, насыпях и других земляных сооружениях. Плотность сухого грунта можно вычислить по формуле: W d 1 , г/см 3 (5.9) 37 Пористостью n называют отношение объема пор ко всему объему грунта: V V n п 100, %. (5.10) Пористость можно вычислить по формулам: ) 1 ( 1 W n s или S d n 1 , д. ед. (5.11) Коэффициентом пористости e называют отношение объема пор к объему частиц грунта: s п V V e , д. ед. (5.12) Понятие коэффициента пористости используется чрезвычайно широко, так как при воздействиях на грунт объем частиц остается постоянным, а изменение объема пор наглядно характеризуется изменением е. Коэффициент пористости можно определить по формулам: 1 ) 1 ( W e S или 1 d S e , д.ед. (5.13) Коэффициентом водонасыщения S r называют степень заполнения объема пор водой: П V V S W r , д. ед. (5.14) Коэффициент водонасыщения можно вычислить по формуле: W S r e W S , д. ед., (5.15) где W – плотность воды, равная 1 г/см 3 Оценка строительных свойств грунтов производится по ГОСТ 25100- 2011 «Грунты. Классификация» и СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». ГОСТ 25100-2011 распространяется на все грунты и устанавливает их классификацию, применяемую при производстве инженерно-геологических изысканий, проектировании и строительстве. |