Физико химические свойства грунтов реферат

Обновлено: 05.07.2024

Химический состав и строение воды. Вода — одно из наиболее замечательных веществ, известных человеку. Она — единственное природное вещество, встречающееся в больших количествах в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из всех распространенных жидкостей вода — наиболее универсальный растворитель, жидкость с максимальными величинами поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоты парообразования и наивысшей (после аммиака) теплотой плавления. В отличие от большинства веществ вода, замерзая при низком давлении, расширяется.

Эти специфические свойства воды связаны с особым строением ее молекулы. Химическая формула воды обманчиво проста. В молекуле воды ядра атомов водорода расположены несимметрично по отношению к ядру атома кислорода и электронам. Если атом кислорода находится в центре тетраэдра, центры масс двух атомов водорода будут в углах тетраэдра, а центры зарядов двух пар электронов займут два других угла. Таким образом, четыре электрона располагаются на возможно наибольшем расстоянии как от ядра атома кислорода, так и от ядер атомов водорода, при котором они еще притягиваются ядром атома кислорода. Другие шесть электронов молекулы воды расположены так: четыре электрона находятся в положении, обеспечивающем химическую связь между ядрами атомов кислорода и водорода, а два других расположены вблизи ядра атома кислорода.

Ассиметричное расположение атомов молекулы воды обусловливает неравномерное распределение электрических зарядов в ней, что делает молекулу воды полярной. Такое строение молекулы воды обусловливает притяжение молекул воды друг к другу в результате образования между ними водородных связей. Расположение атомов водорода и кислорода внутри образовавшихся агрегатов молекул воды сходно с расстановкой атомов кремния и кислорода в кварце. Это относится ко льду и в меньшей мере к жидкой воде, агрегаты молекул которой всегда находятся в стадии перераспределения. При охлаждении воды ее молекулы группируются в агрегаты, которые постепенно увеличиваются и становятся все более устойчивыми по мере приближения к температуре 4° С, когда вода достигает максимальной плотности. При этой температуре вода еще не имеет жесткой структуры и наряду с длинными цепочками ее молекул существует большое количество отдельных молекул воды. При дальнейшем охлаждении цепочки молекул воды растут за счет присоединения к ним свободных молекул, в результате чего плотность воды уменьшается. Когда вода превратится в лед, все ее молекулы входят в более или менее жесткую структуру в виде незамкнутых цепочек, образующих кристаллы.

Высокие величины поверхностного натяжения и теплоты парообразования воды объясняются тем, что для отделения молекулы воды от группы молекул требуется относительно большая затрата энергии. Стремление молекул воды устанавливать водородные связи и их полярность объясняют необычно высокую растворяющую способность воды. Некоторые соединения, такие, как сахара и спирты, удерживаются в растворе благодаря водородным связям. Соединения, обладающие высокой степенью ионизации вводе, например хлористый натрий, удерживаются в растворе вследствие того, что ионы с противоположными зарядами нейтрализуются группами ориентированных молекул воды.

Термические и оптические свойства воды. По сравнению с почвой и воздухом вода отличается гораздо большей термостабильностью, что благоприятно для существования жизни. Сохранению температурного постоянства воды способствует ее высокая теплоемкость, равная 1 кал/г. По этой причине даже значительные поступления или потери тепла не ведут к резким изменениям температуры воды и, например, максимальные колебания ее в Мировом океане не превышают 30—40° С, в то время как в почве и воздухе они могут достигать 120—140° С. Повышению термостабильности воды в естественных условиях способствует ее аномальное свойство уменьшать свою плотность с понижением температуры от 4 до* 0° С. Расширяясь при замерзании, вода превращается в лед, который, будучи более легким, чем вода, плавает на ее поверхности и образует теплоизоляционный слой, предупреждающий промерзание водоемов. Таким образом, находясь в воде, гидробионты обычна застрахованы от замерзания, которое часто вызывает гибель наземных организмов.

Поддержанию термостабильности воды способствует ее крайне высокая теплота парообразования (539 кал/г) и плавления (80кал/г). Когда вода подвергается нагреванию, испарение возрастает и за счет этого повышение температуры задерживается. Количество тепла, отдаваемого гидросферой за год, вследствие испарения примерно в 400 раз превышает всю ту техническую энергию, которую люди вырабатывают на Земле за такое же время (5 • 10 16 кал). Когда вода охлаждается ниже 0° С, образуется лед с выделением большого количества тепла, что препятствует резкому понижению температуры.

Вода обладает сравнительно низкой теплопроводностью, что сильно ограничивает распространение температурных изменений^ возникших на одном участке, в другие зоны водоема. Появляющаяся слоистость, или температурная стратификация,предупреждает, например, прогревание до дна даже сравнительно мелких водоемов в жаркое время года. Образованию температурной стратификации способствует также свойство воды уменьшать свою плотность с понижением температуры от 4 до 0° С. Зимой подледные холодные воды не погружаются вглубь, плавая на более теплых: летом прогретые воды не опускаются ко дну, где находятся более холодные и потому более плотные воды. Таким образом, аномальные свойства воды существенно тормозят выравнивание температурных градиентов.

Плотность природных вод. Удельный вес природной воды в первую очередь определяется количеством растворенных в ней веществ и температурой. На первый взгляд, изменения плотности воды с повышением температуры не так существенны. Однако следует учесть, что удельный вес гидробионтов обычно отличается от единицы лишь во втором или даже третьем знаке. Поэтому температурные колебания плотности воды в пределах третьего и четвертого знака означают очень многое в жизни пелагических организмов в смысле изменения условий плавания (различная спорность среды).

Организмы, способные существовать в широком диапазоне давлений воды, называются эврибионтными, а не выдерживающие больших колебаний этого фактора — стенобитными. Например, голотурии встречаются на глубинах от 100 до 9000 м. По-видимому, недостаточная толерантность (терпимость) к повышенному давлению мешает пузырным сифонофорам заселять большие глубины, в то время как беспузырные могут проникать в абиссаль и ультраабиссаль. Распределение гидробионтов по разным глубинам связано не только с давлением воды, но и с многими другими факторами.

В условиях опыта гидробионты проявляют высокую устойчивость к повышению давления. Обычно, как это установил еще М. Фонтен в 1930 г., с повышением давления сначала наблюдается стимуляция двигательной активности, сопровождающаяся увеличением газообмена, затем ее подавление и, наконец, смерть, которая, по-видимому, связана с необратимыми изменениями структуры протоплазмы вследствие сдвига равновесия в системе в сторону повышения вязкости.

Я. А. Бирштейн высказал соображение о том, что указанным сдвигом можно объяснить часто наблюдаемое увеличение размеров гидробионтов с 'продвижением в глубину. С увеличением вязкости протоплазмы замедляется темп клеточного деления и другие проявления ее движения, вследствие чего, как и под влиянием низких температур, (происходит сдвиг в соотношении процессов роста и развития, сопровождающийся увеличением размера организмов. Справедливость этого соображения подтверждается цитологическими наблюдениями над равноногими раками: увеличение их размеров с глубиной сопровождается укрупнением клеток их тела. Другое доказательство дают опыты с простейшими: с повышением температуры на 5° С «критические давления, выдерживаемые животными, увеличивались на 40—70 атм. Эти данные можно объяснить антагонистическим действием высоких температуры и давления на протоплазму: в первом случае ее вязкость понижается, во втором — повышается.

У многих гидробионтов, в частности у личинок ракообразных, головоногих, двустворчатых моллюсков и гребневиков, повышение давления вызывает движение вверх и положительный фототаксис, а снижение—обратную реакцию; очевидно, давление — важный фактор, определяющий характер распределения жизни в толще воды. Установлено, что сжимаемость некоторых равноногих рачков и эвфаузиид на 15—40% ниже, чем воды. С погружением вглубь плотность животных все более приближается к таковой воды, и они всегда могут найти такую глубину, где будут обладать устойчивой нейтральной плавучестью. В качестве одного из примеров своеобразного влияния высокого давления можно привести вызываемый им сдвиг в соотношении полов у морских гарпактицид. Наупли-усы этого рачка, подвергнутые давлению 450—700 атм, превращались только в самок, хотя в контрольной группе (давление 1 атм) преобладали самцы (84%); очевидно, высокое давление разрушала биохимическую систему, определяющую появление самцов.

Вязкость воды. Под вязкостью понимается свойство тел оказывать сопротивление сдвигу их слоев относительно друг друга. Это сопротивление, возникающее при относительном движении двух смежных слоев, пропорционально их площади и градиенту скорости вдоль оси, перпендикулярной к направлению движения. Единицей вязкости является пуаз (пз). Пуаз — это такая вязкость, при которой градиент скорости, равный 1 см/сек на 1 см расстояния между слоями жидкости, приводит к возникновению силы внутреннего трения в 1 дину на 1 см 2 поверхности касания слоев. Обычно вязкость воды обозначается в сотых долях пуаза — санти-пуазах (спз). По сравнению с другими жидкостями вода обладает сравнительно малой вязкостью. Так, для воды с температурой 10° С вязкость равна 1,31 спз, а для глицерина в тех же условиях — 3950 спз. Малая вязкость воды облегчает организмам плавание, поскольку на преодоление внутреннего трения приводимых в движение слоев воды затрачивается сравнительно небольшая сила.

С увеличением солености вязкость воды несколько возрастает. Изменение вязкости особенно сильно влияет на условия передвижения мелких организмов. С одной стороны, они обладают сравнительно маломощной локомоторной системой, в то время как относительная поверхность, пропорционально которой действуют силы трения, очень велика. С другой стороны, вязкость тормозит движение тем больше, чем ближе находятся смещаемые относительно друг друга слои воды. Для мелких организмов они располагаются на очень небольших расстояниях и потому преодоление сил трения требует значительных энергетических затрат.

Изменение вязкости с повышением температуры и солености воды имеет весьма существенное значение в жизни водного населения, особенно для его мелких представителей, существенно влияя на скорость их передвижения. Огромное влияние вязкость воды оказывает на скорость погружения организмов. При отсутствии трения гидробионты, не обладающие локомоторной системой, лишились бы способности удерживаться в толще воды, а подвижным формам пришлось бы тратить много дополнительной энергии, чтобы избегать погружения на дно. Вязкость воды облегчает организмам парение в ее толще, поэтому у многих гидробионтов выработались специальные адаптации, направленные на увеличение сил трения с водой, особенно в летнее время, когда ее вязкость в связи с повышением температуры снижается.

Движение воды. Перемещения водных масс вызываются гравитационными силами, ветровыми воздействиями, организмами и некоторыми другими причинами. К гравитационным силам, вызывающим движение воды, относится притяжение Луны и Солнца, обусловливающее чередование приливов и отливов. Силы земного тяготения вызывают течение рек, т. е. перемещение в них воды с высоких уровней на более низкие, а также перемещения водных масс с разной плотностью в морях и озерах. Ветровые воздействия за счет сил трения вопреки гравитационным градиентам перемещают поверхностные воды и вызывают ряд сопряженных с этим перемещением компенсационных течений. Организмы перемешивают воду своими передвижениями и во время пропускания ее через специальные структуры своего тела при фильтрации.

Движение воды проявляется в форме течений и волнений. В первом случае происходит перенос водных масс в определенном направлении, во втором — уклонение частиц воды от исходного положения с последующим возвратом к нему. Течения бывают горизонтальными и вертикальными, поверхностными и глубинными. Возникновение под действием внешних сил того или иного течения неизменно сопровождается образованием противоположно направленного компенсационного перемещения воды.

Движение воды имеет для гидробионтов прямое и косвенное значение. В первом случае речь идет о переносе пелагических организмов в горизонтальном направлении, перемещении их по вертикали и вымывании бентосных форм из грунта, часто сопровождающимся их сносом токами воды, как, например, это наблюдается в ручьях и реках. Косвенное влияние движения воды на гидробионтов сказывается через принос пищи и кислорода, унос метаболитов, выравнивание температурных и других гидрологических градиентов, а также через воздействие на формирование грунтов. В областях сильных придонных течений грунты более подвижны, содержат меньше тонких фракций, подвержены взмучиваниям и накопления донных осадков здесь не происходит. Там, где течения слабы или их нет, донные осадки накапливаются, грунты становятся стабильнее, содержат много тонких фракций.

Волны, которые в основном вызываются взаимодействием водных и воздушных масс, особенно большое значение имеют для обитателей прибрежий, где прибой перетирает грунт, перемещает его по вертикали и горизонтали, уносит с одних мест и откладывает в других. Некоторое представление о силе прибоя и его значении для гидробионтов может дать тот факт, что у скалистых берегов вода иногда взлетает на высоту до 100—150 м. Жизнь в зоне ярибоя крайне обедняется, и здесь существуют лишь немногие формы, приспособившиеся к ударам волн.

Для восприятия движений воды у гидробионтов существуют самые различные рецепторы. Рыбы оценивают скорость и направление течения с помощью органов боковой линии, ракообразные — антеннами, моллюски — рецепторами в выростах мантии. У очень многих беспозвоночных имеются виброрецепторы, воспринимающие колебания воды. У гребневиков они обнаружены в эпителии, у гидромедуз — по краям манубриума, у раков представлены вееровидными органами, сидящими в углублениях на поверхности тела, личинки насекомых воспринимают вибрацию воды различными волосками и щетинками. Хетогнаты охотятся за добычей исключительно с помощью виброрецепторов, причем хватательная реакция возникает только на вибрации малой интенсивности. Хетогната способна точно определять положение предмета, колеблющегося с частотой 9—20гц при амплитуде 0,1—0,5 мм на расстоянии 1—3 мм. Слишком сильные и иной частоты колебания вызывают реакцию бегства.

Физико-химические свойства грунтов. Из отдельных физико-химических свойств грунтов наибольшее экологическое значение для донного населения имеют размеры частиц, плотность их прилегания друг к другу и стабильность взаиморасположения, степень смыва течениями и темп аккумуляции за счет оседания взвешенного материала. Физические свойства грунтов прежде всего характеризуются их механическим, или гранулометрическим, составом, под которым понимается размер зерен, образующих донные осадки. По гранулометрическому составу грунты делятся (в порядке возрастания размера образующих их зерен) на глины (пелиты), илы (алевриты, селиты), песок, гравий, гальку, валуны и глыбы. Мелкозернистые грунты в зависимости от содержания в них тонких фракций (частиц мельче 0,01 мм) делятся на песок, илистый песок, песчанистый ил, ил и глинистый ил (тонких фракций соответственно более 5, 10, 30, 50%). В тех случаях, когда в грунте 'присутствует несколько разноразмерных фракций, он называется смешанным. По отношению к грунтам различают стен- и эвриздафические формы, из которых первые обнаруживают приуроченность к какому-либо одному субстрату, а вторые обитают на разных грунтах.

Находясь на не свойственном им субстрате, организмы испытывают угнетение или вовсе погибают. Например, в случае выращивания личинок комара на крупном песке гибнет 88% особей, на мелком песке — 57%, на песчанистом иле и иле — соответственно 23 и 16%. Полихеты посаженные на песок, не строят трубок, в которых обычно обитают, и через 7 дней погибают. На мелком песке эти черви тратили на построение трубок 50—80 мин, через 20 дней в живых оставалось 20% особей; на заиленном мелком песке и иле животные строили трубки соответственно за 35—60 мин и 15— 30 мин, их выживаемость достигала 80 и 100%. Обильные на западном побережье Франции полихеты не встречаются вместе, населяя пески с разным гранулометрическим составом. Активно выбирают субстрат, необходимый для превращения во взрослую форму, многие планктонные личинки донных беспозвоночных и бентосные формы, всплывающие для расселения в толщу воды. Переползая по грунту, находят себе нужный субстрат донные животные, не обладающие -способностью всплывать для расселения в толщу воды.

Условиями движения внутри грунта с различным гранулометрическим составом объясняется разница в размерах организмов, обитающих в песке морских пляжей. Так, в лесках со средним размером песчинок более 0,4 мм обычно (преобладают мелкие и средние инфузории, не имеющие, как правило, явных морфологических приспособлений к жизни в песке; для песков с размерами песчинок 0,12—0,4 мм характерны крупные ползающие инфузории, обычно с вытянутой лентовидной или нитевидной формой тела; в очень плотных песках с размером частиц менее 0,1 мм инфузории, как правило, отсутствуют.

Крайне неблагоприятна для существования донного населения недостаточная стабильность грунтов: засыпание их сверху оседающими частицами, снос поверхностных слоев токами воды и перемещение частиц относительно друг друга. В первом случае обитатели грунта погребаются под слоем наносов, во втором — вымываются и уносятся течением, в третьем — перетираются, не могут укорениться. Наносом и смывом грунта объясняется, например, крайняя бедность бентоса в равнинном течении Сырдарьи, Амударьи, Куры и других рек, в которых идет энергичное размывание русла в одних местах и седиментация взвесей — в других. Перемешивание грунтов может вызываться не только движением воды, но и деятельностью самих организмов.

Факультет: Гидротехническое специальное строительство.

Р Е Ф Е Р А Т

По дисциплине: Механика грунтов.

2. Состав, строение и состояние грунтов.

2.1 Грунтовые основания. Происхождение грунтов.

2.2 Состав грунтов.

2.3 Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте.

2.4 Структурные связи между частицами грунта.

3. Физические характеристики, классификация грунтов, строение оснований.

3.1 Основные физические характеристики грунтов.

3.2 Классификация грунтов.

3.3 О связи физических и механических характеристик грунтов.

3.4 Геологическое строение оснований.

Механика грунтов, основания и фундаменты вместе с инженерной геологией и охраной природной среды составляют особый цикл строительных дисциплин. Предметом его изучения являются материалы, как правило, природного происхождения – грунты и их взаимодействие с сооружениями. Если конструкционные материалы приготавливаются технологами так, чтобы они обладали заданными строительными свойствами, то грунты каждой строительной площадки имеют самостоятельную историю образования. Состав, строение и свойства грунтов разных строительных площадок определены природой и могут существенно различаться, требуя каждый раз специального изучения.

Поведение грунтов под нагрузками сопровождается сложными процессами, во многом отличающимися от поведения конструкционных материалов. Это потребовало разработки специальных экспериментальных методов и теоретического аппарата механики грунтов для описания процессов их деформирования и разрушения.

Нормальная эксплуатация здания или сооружения во многом зависит от того, насколько правильно запроектировано и осуществлено его взаимодействие с основанием. Это же в значительной мере влияет на стоимость и сроки строительства.

Поэтому цель настоящего курса – научить будущих инженеров-строителей обоснованию и принятию оптимальных решений по устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в различных инженерно-геологических условиях.

Курс состоит из двух частей.

Механика грунтов, основания и фундаменты неразрывно связаны с инженерной геологией, изучающей верхнюю часть земной коры как среду инженерной деятельности человека. Для понимания механики грунтов необходимо знать дисциплины механико-математического цикла: сопротивление материалов, теорию упругости, пластичности и ползучести, строительную механику, владеть методами математического анализа. Проектирование оснований и фундаментов требует также знания строительных конструкций, технологии строительного производства. Техники безопасности, экономики и организации строительства. Развитие автоматизированного проектирования фундаментов связано с умением специалистов работать с современными ЭВМ, прежде всего с персональными компьютерами.

2. Состав, строение и состояние грунтов.

2.1 Грунтовые основания. Происхождение грунтов.

Всякое сооружение покоится на грунтовом основании. В зависимости от геологического строения участка застройки строение основания даже расположенных вблизи сооружений может быть различным (рис. 1.1). Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в пространстве (сооружения А, В, Г, Д на рис. 1.1). В частном случае основание может состоять из грунта одного типа (сооружение Б на рис. 1.1).

Сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с другими конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т.п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых оснований.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводиться, или материала для сооружения.

Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Под с о с т а в о м подразумевают перечень минералов, составляющих породу. С т р у к т у р а - это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Т е к с т у р а - пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

Горная порода, а следовательно, и грунт представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Действительно, совокупностей минералов может быть много. Закономерно построенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Инженерная геология изучает закономерности образования и свойства горных пород как грунтов. Наличие в природе однотипных грунтов, широко распространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов. Так. Существование слабых водонасыщенных грунтов – илов – уже в древности привело к идее устройства фундаментов; особые свойства не менее широко распространенного лессового грунта потребовали разработки специальных способов строительства и т.п. В связи с этим, прежде чем рассматривать методы расчета и проектирования оснований и фундаментов, необходимо изучить основные типы грунтов, их физические свойства, особенности строения оснований.

Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. В инженерной геологии происхождение грунтов детально изучено в разных условий. Происхождение положено в основу классификации грунтов (ГОСТ 25100-82).

Все грунты разделяются на естественные – магматические, осадочные,

метаморфические – и искусственные – уплотненные, закрепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов магмы в верхних слоях земной коры (интрузивные, или глубинные, породы-граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузивные, или излившиеся, - бальзаты, порфиры и др.)

Осадочные горные породы образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени упрочнения различают сцементированные (песчинки, доломиты, алевролиты и т.п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лессы, илы, торфы, почвы и т.п.).

Метаморфические горные породы образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы – сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Горные породы метаморфического, магматического происхождения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и агрегатами и относятся к классу с к а л ь н ы х г р у н т о в. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу н е с к а л ь н ы х грунтов.

В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной современного выветривания. Под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического состава воды, газов, деятельности растительных и животных организмов и т.п. развиваются процессы выветривания – физического, химического. Органического разрушения минералов и горных пород. Продукты разрушения верхних зон коры выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переносится на большие расстояния и вновь откладываться на новых территориях. Различие условий происхождения и дальнейшего изменения являются причиной разнообразия строения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.

К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т.п.). К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в природном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы (шлаки, золы и т.п.).

2.2 Состав грунтов.

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии – грунтоведения.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонентов: твердой, жидкой, газообразной.

Иногда в грунте выделяют биоту – живое существо. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.

Было бы сравнительно просто решать задачи фундаментостроения, если бы грунт можно было рассматривать как механическую систему, состоящую из твердого. Жидкого и газообразного веществ с фиксированными независимыми свойствами каждой компоненты. В действительности дело обстоит сложнее. На свойства грунта, как системы, значительное влияние оказывает минеральный и химический состав вещества, наличие биологически активной составляющей. Химические. Физические, физико-химические и биологические процессы в грунтах протекают в сложном взаимодействии, сливаясь в единый геологический процесс, который изменяет свойства грунта во времени до строительства, при строительстве и впоследствии при эксплуатации сооружений.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Ч а с т ь м и н е р а л о в и н е р т н а по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты. Полностью сложенные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метаморфических часть осадочных. Среди осадочных пород этими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующие из них при цементации песчинки и конгломераты.

Большое влияние на свойства грунтов оказывают р а с в о р и м ы е в в о д е м и н е р а л ы. К ним относятся галит NCl, гипс CaSO4 ̇ 2H2O, кальцит CaCO3 некоторые другие. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены растворимыми минералами.

Г л и н и с т ы е м и н е р а л ы составляют третью группу. Они нерастворимы в воде в отличии от минералов предыдущей группы, но их никак нельзя приравнять к инертным минералам первой группы. В силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит. Монтмориллонит, иллит, и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности. Из-за мельчайших размеров и высокоразвитой поверхности глинистые минералы активно взаимодействуют с жидкой составляющей грунтов. Поэтому уже малое содержание их в общей массе грунта резко изменяет его свойства.

О р г а н и ч е с к о е в е щ е с т в о в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубоких горизонтах – в виде нефти. Бурого и каменного угля. Повсеместно на равнинных площадях с поверхности залегает почва, которая содержит 0,5…5% органических соединений. Коллоидная активность гумуса выше, чем даже глинистых минералов.

Жидкая составляющая грунтов. К р и с т а л и з а ц и о н н а я в о д а принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.

Свободная вода в грунте подчиняется законам гидравлики. Она передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Практически вся вода, содержащаяся в трещиноватых скальных породах, крупнообломочных, гравелистых и крупных песках, относится к гравитационной. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно пылеватых песках и глинистых грунтах.

Сложное и разнообразное взаимодействие твердых частиц грунта с водой очень сильно влияет на свойства грунта. Например. замерзание пылевато-глинистых грунтов происходит постепенно при понижении отрицательной температуры: сначала в лед переходит свободная вода, затем периферийные и, наконец, более глубокие слои рыхлосвязанной воды. Фильтрация свободной воды в грунте возникает сразу же после появления разности напоров. Однако для перемещения слоев даже рыхлозвязанной воды требуется приложение тем больших силовых воздействий, чем ближе эти слои находятся к поверхности частиц. В то же время, если по каким либо причинам. Например из-за перепада температур в зоне замерзания грунта, соседние частицы будут иметь разные по толщине слои связанной воды. Возможно возникновение м и г р а ц и и - перемещение связанной воды из более толстых пленок в более тонкие. Если зона замерзания грунта соединена капиллярной водой с уровнем подземных вод, то объем воды, подтягиваемой в зону замерзания, может быть весьма значительным. Здесь важно отметить. Что знание физико-химических особенностей взаимодействия твердых частиц с водой в грунте позволяет не только объяснить многие важные для практики строительства инженерные мероприятия.

Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газов в грунтезависит от объема его пор:чем больше порызаполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – азоном, метаном, сероводородом и другими газами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ ядовиты, и могут содержаться в грунте в концентрациях, опасных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между атмосферой и грунтом зависит от состава и состояния грунта и повышается с увеличением содержания и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

Газы в грунте могут быть в с в о б о д н о м с о с т о я н и и или р а с т в о р е н ы в в о д е. Свободный газ подразделяется на незащемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Наблюдения показывают, что при подтоплении территории (повышении уровня подземных вод) в обводненном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Э то имеет большое значение, в частности при сейсмическом микрорайонировании. На обводненных грунтах сейсмическая бальность выше. Защемленный воздух поднимает ее дополнительно, так как снижает скорость прохождения сейсмических волн.

Итак, грунт состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент. В каждой из трех компонент чаще в малом и незначительном, а иногда и в существенном количестве содержатся микроорганизмы. Из всех составляющих грунта наиболее стабильной является твердая компонента. Жидкая (вода0 при отрицательных температурах переходит в твердое состояние (лед), может истекать, испаряться. Газ при перемене условий растворяется, вытесняется жидкостью или другими газами. Очевидно, что свойства грунтов зависят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его компонент.

2.3 Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте.

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует как бы каркас, с к е л е т грунта. Поровая вода и газ как сплошная среда располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Угловатая форма характерна для мельчайших кристаллов, которые не округляются при соударениях из-за их исключительно малой массы и значительной прочности. Среди крупных обломков выделяются угловые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий).

Для удобства классификации частицы, близкие по крупности, объединяются в определенные группы (гранулометрические фракции), которым присваиваются следующие наименования (табл. 1.1).

Свойства грунтов – это их особенности, связанные с геологическим происхождением, составом, физическими и механическими ха р актеристиками. У строительных и плодородных грунтов классификация свойств сильно различается – в зависимости от особенностей их использования.

На этой странице мы расскажем про основные характеристики грунтов, приведем таблицы и сравнительные данные. Наша классификация основана на ГОСТах и СНиПах, но подана простым и понятным языком.

Далее речь пойдет о:

Физико-механических и химических свойствах
Строительных свойствах
Плодородных свойствах

Физико-механические и химические свойства грунтов

Свойства грунтов зависят от состава их твердой, жидкой и газообразной фазы, взаимодействия разных компонентов между собой. Характеристики этих материалов описаны в ГОСТах и нормативных документах. На их основе составлена классификация грунтов, принципы их использования.

Физические свойства

Физические свойства грунтов проявляются в природной среде – то есть, когда на них не оказывается внешнего воздействия. Эти параметры характеризуют физическое состояние и взаимодействие компонентов материала.

Группа физических характеристик включает:

Влажность – содержание воды в грунте в условиях природного залегания.
Влагоемкость – количество жидкости, которые может впитать грунт.
Водопроницаемость – скорость , с которой грунт пропускает сквозь себя влагу (в условиях нормального атмосферного давления).
Гранулометрический состав – содержание в грунте частиц разных размеров и структура материала.
Плотность – соотношение массы и объема.
Пористость – объем свободного (или заполненного водой) пространства между зернами грунта.
Выветрелость – степень разрушения грунта под воздействием солнца, ветра, осадков, химических и биологических факторов.
Пластичность – способность грунта менять форму при увлажнении, сохраняя связи между частицами.

Подробнее об этих характеристиках читайте в статье Физические свойства грунта

Механические свойства

Механические свойства показывают, как грунт реагирует на внешние нагрузки. Они играют важную роль в планировании строительства и во многом зависят от физических характеристик.

К механическим свойствам относятся:

Сжимаемость – способность грунта уменьшать собственный объем под внешней нагрузкой.
Просадочность – уплотнение грунта под воздействием увлажнения или давления на верхние слои.
Набухание – Увеличение объема грунта при увлажнении.
Морозное пучение – увеличение объема грунта при замерзании.
Прочность – способность грунта сопротивляться внешнему воздействию без разрушения структуры.
Упругость , или модуль упругости – степень деформации грунта под воздействием вертикальных нагрузок.
Угол внутреннего трения – сопротивление грунта вертикальному срезу.
Сцепление – степень взаимодействия частиц грунта между собой.
Сопротивление грунтов сдвигу – способность грунта выдерживать горизонтальную нагрузку без нарушения структуры.
Угол естественного откоса – угол между горизонтальной площадкой и конусом, который образовался при свободной засыпке грунта.
Граница текучести и раската – влажность грунта при потере пластичности.
Липкость – способность грунта в увлажненном состоянии прилипать к поверхностям.

Подробнее об этих характеристиках читайте в статье Механические свойства грунта

Химические свойства

Грунт – это система, состоящая из множества органических и неорганических соединений. Они взаимодействуют между собой и внешней средой, изменяя характеристики материала.

К химическим свойствам относятся:

Кислотность – это уровень рН грунта. Кислотность – один из важнейших факторов плодородия почвы.
Растворимость – свойство грунтов растворяться в различных жидкостях.
Коррозийные свойства – способность грунта разр у шать металлы.
Засоленность – наличие в грунте растворимых солей натрия, магния и кальция.

Физико-механические и химические свойства грунтов – это сложная тема. На практике, особенно в частном строительстве или садоводстве, далеко не все они имеют значение. В данной статье мы лишь перечислили и кратко описали данные характеристики.

Более подробную информацию по этой теме вы найдете в следующих статьях:

Далее мы расскажем о том, на какие свойства нужно обратить внимание при выборе грунта для разных работ.

Основные свойства грунтов в строительстве

Большинство грунтов используются в строительстве – начиная от простых земляных работ и до выполнения сложных задач (например, устройства фундамента или изготовления бетона).

Ниже мы привели таблицу, в которой указаны наиболее важные свойства грунтов, в зависимости от их назначения.

Укрепление грунта	Выравнивание участков	Устройство оснований	Засыпка ям, траншей, котлованов	Засыпка пазух фундамента	Устройство гидроизоляции	Устройство и ремонт временных и грунтовых дорог	Обустройство обочин и насыпей	Изготовление бетона
Физические характеристики	Влажность	+
	Водопроницаемость	+	+	+	+	+	+
	Гранулометрический состав	+	+	+	+	+
	Выветрелость	+
	Пластичность
Механические характеристики	Сжимаемость	+
	Просадочность	+	+	+
	Набухание	+	+
	Морозное пучение	+	+	+
	Прочность	+	+	+	+
	Угол внутреннего трения	+
	Сцепление	+
	Сопротивление грунтов сдвигу	+
	Угол естественного откоса	+
	Липкость	+	+
Химические характеристики	Растворимость	+	+
Химические характеристики	Коррозийные свойства	+

Подробнее о том , какие характеристики важны при выборе грунтов для тех или иных работ, вы можете узнать на странице Строительные свойства грунтов.

О том, как используются грунты в строительстве, читайте в рубрике Строительный грунт.

Основные свойства грунта для садово-огородных работ

В данном случае главными являются плодородные характеристики, а также безопасность грунтов. Далеко не любой материал может быть использован в садовых работах.

Чаще всего внимание обращают на следующие характеристики:

Кислотность
Пористость
Гранулометрический состав
Влажность
Засоленность
Экологическая безопасность

Подробнее об этом вы можете прочитать на странице Плодородные свойства грунтов.

Итак, характеристики грунтов разделяются на три группы – физические, механические и химические. Первая группа позволяет выяснить , как ведет себя грунт в естественных условиях. Вторая группа характеризует состояние грунта под воздействием различных нагрузок. Ну и третья группа говорит о том, что происходит с грунтом, когда он вступает в химические реакции с другими материалами.

Физические свойства грунтов.
Методы определения осадок фундаментов.
Метод эквивалентного слоя.
Метод послойного суммирования.
Метод угловых точек.
Метод линейно деформируемого слоя.

Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов

формат djvu
размер 5.31 МБ
добавлен 14 февраля 2009 г.

М.: Стройиздат, 1994. -384с., ил. Приведены результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований осадок и несущей способности свайных фундаментов, основные закономерности их взаимодействия с окружающим грунтом. Изложены методы определения напряжений в активной зоне, полных осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения нагрузки внутри массива и вида эпюр ее передачи по боковой поверхности и плоскос.

Вопросы ГОС экзамен - ПГС. Механика грунтов, основания и фундаменты

формат docx
размер 788.89 КБ
добавлен 07 марта 2011 г.

СГТУ ПГС ГОС -экзамен Физические и механические характеристики грунтов. Способы и методы их определения. Причины развития неравномерных осадок и просадок основания. Определение осадки основания методом послойного суммирования. Стуктурно-неустойчивые грунты. Особенности проектирования и строительства зданий и сооружений на них. Виды фундаментов мелкого заложения. Порядок определения площади подошвы фундамента мелкого заложения. Виды свай и свайных.

Горбунов-Посадов М.И. (ред.) Справочник проектировщика. Основания и фундаменты

формат djvu
размер 15.13 МБ
добавлен 04 ноября 2010 г.

М.: Стройиздат, 1964. - 270 с. В книге содержатся справочные сведения по расчету и проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений различного назначения. Рассматриваются физические свойства и основные закономерности механики грунтов, новейшие конструкции фундаментов, особенности их проектирования и производства работ в зависимости от характера грунтов. Даны современные методы расчета осадок и устойчивости оснований и прочности фундамен.

Крутов В.И. Основания и фундаменты на просадочных грунтах

формат djvu
размер 13.81 МБ
добавлен 01 января 2010 г.

Будивельник, Киев, 1982. – 224 с. В книге описываются основные особенности и характеристики просадочных грунтов, закономерности развития деформаций от нагрузок фундаментов, собственного веса грунта, освещено взаимодействие свай, фундаментов, закрепленных массивов, приведены методы уплотнения грунтов. Даны методы расчета осадок оснований и фундаментов под зданиями, расположенными на просадочных грунтах.

Лекции по механике грунтов

формат pptx
размер 1.1 МБ
добавлен 15 июня 2010 г.

Механика грунтов как наука. Фазовый состав грунтов. Физические свойства грунтов основания. Основные физические характеристики Расчетные физические характеристики Основные закономерности механики грунтов Сжимаемость грунтов Водопроницаемость грунтов Сопротивление грунтов сдвигу Сдвиговые испытания грунтов Структурно - фазовая деформируемость грунтов Распределение напряжений в массиве грунта 270102 — Промышленное и гражданское строительство; 2701.

Презентация - Краткий конспект лекций по дисциплине Механика грунтов

формат pdf
размер 2.95 МБ
добавлен 31 марта 2010 г.

Характеристики физических свойств грунтов Механические свойства грунтов Определение механических характеристик грунтов в приборах трехосного сжатия Особенности структурно-неустойчивых оснований Определение напряжений в массиве грунта Распределение напряжений на подошве фундамента Устойчивость откосов Давление грунта на подпорные стенки Деформация оснований и расчет осадок фундаментов Определение осадки фундамента по методу эквивалентного.

Расчетно-графическая работа по механике грунтов

формат doc, dwg
размер 1011.02 КБ
добавлен 06 января 2011 г.

Вариант 14 Задача № 1. Природа грунтов и показатели физико-механических свойств Задачи №№2,3, 4. Напряжения в грунтах от действия внешних сил Задачи №№5, 6. Теории предельного напряженного состояния грунтов Задачи №№7, 8. Деформации грунтов и прогноз осадок фундаментов Расчетные схемы и графики зависимостей к каждой задаче выполнены в системе AutoCAD.

Ухов С.Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты

формат djvu
размер 23.74 МБ
добавлен 24 ноября 2009 г.

Учебник, Авт.: Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В., Тер-Мартиросян З. Г., Чернышев С. Н. - М.: АСВ, 1994. -527 c. ил. В учебнике даны основные сведения о природе грунтов и показателях их физических свойств. Рассмотрены механические свойства и напряженное состояние грунтов. Дан расчет и приведены типы и конструкции фундаментов зданий и сооружений, применяемых в промышленном и гражданском строительстве. Изложены основные положения САПР в фу.

Шаповал В.Г. Механика грунтов

формат doc, rtf
размер 2.03 МБ
добавлен 04 июня 2011 г.

2010г. -170с. Основные понятия, определения и обозначения Предисловие Состав, строение и состояние грунтов Грунтовые основания. Происхождение грунтов Состав грунтов Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте Понятие о структуре и текстуре грунтовых оснований. Связи между грунтовыми частицами Физические характеристики, классификация грунтов, строение оснований Основные физические характеристики грунтов Классификация грунтов Особые виды.

Шутов В.Е. (ред.) Механика грунтов

формат pdf
размер 3.44 МБ
добавлен 15 декабря 2010 г.

М.: Лори, 2003г. -128 с. Учебное пособие для подготовки специалистов по специальности 0900700 "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ". Содержание. Происхождение, состав и структура грунтов. Физические свойства грунтов. Механические свойства грунтов. Напряжения, передоваемые от фундамента грунту по его подошве. Основные теории расчета фундаментов конечной жесткости с учетом осадки сплошного упругого основ.

Читайте также: