Физико механические свойства грунтов реферат

Обновлено: 05.07.2024

1.Происхождение грунтов.
Магматические горные породы образовались в результате остывания магмы, а также в результате горнообразовательных процессов. Вследствие физического и химического выветривания они постепенно превращались в рыхлые горные породы. Раздробленные частицы горных пород перемещались в пониженные части поверхности земли, где откладывались, образуя осадочные горные породы. Если в процессе горообразования они оказались близко к поверхности земли, то под воздействием химического выветривания образовывали крупноскелетные или мелкодисперсные грунты.
Грунтами строители называют верхние слои коры выветривания литосферы и относят к ним скальные, полускальные и рыхлые горные породы.
В большинстве случаев верхние слои земной коры сложены крупнообломочными, песчаными, пылевато-глинистыми, органогенными и техногенными грунтами. Ниже поверхности земли эти дисперсные грунты имеют почти повсеместное распространение. Большая часть дисперсных грунтов образовалась в результате накопления продуктов физического и химического выветривания. Некоторые грунты возникли вследствие отложения органических веществ (например, торф), а также в результате искусственной отсыпки или намыва различных материалов (техногенные отложения). В процессе физического выветривания образовались крупнообломочные и песчаные грунты. Результатом химического и частично биологического выветривания являются минералы, составляющие мелкодисперсную часть пылевато-глинистых грунтов.

2.Составные части грунтов.
В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха (или иного газа), т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком или газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.
Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухфазной системой. В большинстве случаев в грунте кроме твердых частиц и воды имеется воздух или иной газ, либо растворенный в воде, либо находящийся в виде пузырьков. Такой грунт является трехфазной системой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехфазной системой.
В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества таких веществ в грунте существенно отражается на его свойствах.

3.Виды воды в грунтах и их свойства.
Вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания.
Наличие между частицами пылевато-глинистого грунта связанной воды определяет ее пластичность. При этом, чем толще пленка воды, тем меньше прочность грунта, и наоборот. Изменение толщины пленок воды приводит к изменению его состояния от почти жидкого до твердого.
Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объемов грунта.

4.Физико-механические свойства грунтов.
Зерновой (гранулометрический) состав. Под зерновым составом содержание по массе групп частиц грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. По данным зернового состава породы может быть получена приблизительная характеристика водопроницаемости песчаных пород; по тем же данным могут быть даны оценка возможности вымывания мелких песчаных частиц породы из-под основания сооружений и другие приблизительные показатели. На основании данных анализа зернового состава может быть дана оценка пород в качестве материала для бетона, земляных плотин, дамб и др.
Для определения зернового состава применяются следующие виды анализа:
• Механический анализ производят путем разделения пород на ряд фракций, которые отличаются диаметром частиц. После разделения на фракции определяют процентное содержание частиц каждой фракции в исследуемой породе.
• Ситовый анализ заключается в просеивании частиц через набор сит с отверстиями различного диаметра. Этот способ служит для анализа песков.
• Метод Сабанина, основанный на принципе разделения фракций по скорости падения частиц, взвешенных в спокойной жидкости, служит для определения глинистых и пылеватых песчаных пород.
• Пипеточный метод, принцип которого заключается в отборе пипеткой проб частиц, не успевших в определенные сроки осесть в процессе отстаивания; применяется для анализа глинистых пород.
• Ареометрический метод заключается в измерении специальным ареометром плотности взмученных в воде частиц породы, изменяющейся по мере осаждения их в водной среде.
• Метод Рутковского, основанный на способности глинистых фракций набухать в воде и на различной скорости падения частиц в воде в зависимости от их размеров. Пользуясь этим методом, можно выделить в породе три группы фракций: глинистую, пылеватую и песчаную.
Механический анализ применяется для связных и несвязных пород, имеющих размер частиц не свыше20 мм.

Плотность и пористость породы являются важной физической характеристикой. Плотность породы есть отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему.

Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта к объему твердой части этого грунта. Плотность частиц грунта у горных пород изменяется в пределах от 2,6 до 2,75 г/см3 и для каждой группы пород определяется только ее минералогическим составом. Величина плотности зависит от минералогического состава, влажности, пористости.

Пористость пород представляет собой пустоты или свободные промежутки между минеральными частицами, составляющими породу. Пористость n обычно выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы.

Влажностью породы называют отношение массы воды, содержащейся в порах, к массе сухой породы. Влажность породы является очень важной характеристикой физического состояния породы, определяющей ее прочность и другие свойства при использовании в инженерных целях.

Пластичностью называют способность породы изменять под действием внешних сил свою форму, т. е. деформироваться без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекратилось.
Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их консистенции (относительной влажности). Для того, чтобы выразить в числовых показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены понятия о верхнем и нижнем пределах пластичности.
Нижним пределом пластичности называется такая степень влажности глинистой породы, при которой глинистое тесто, замешанное на дистиллированной воде, при раскатывании его в жгутик диаметром в 3 мм начинает крошиться вследствие потери пластических свойств.
Верхним пределом пластичности называется такая степень влажности глинистой породы, при которой глинистое тесто, положенное в чашку и разрезанное глубокой бороздой, сливается после трех легких толчков чашки ладонью. При большей степени влажности тесто течет без встряхивания или при одном или двух толчках.

Набуханием называется способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания. Набухание зависит от содержания в породе глинистых и пылевых частиц и их минералогического состава, а также от химического состава воды.
Набухание учитывают при строительных работах. Явление набухания породы наблюдается в котлованах, выемках, а также при строительстве плотин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия района сооружений и увеличивается влажность пород за счет вновь поступающей воды.

Усадкой породы называется уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка.

Размоканием называется способность глинистых пород в соприкосновении со стоячей водой терять связность и разрушаться - превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Размокание породы имеет большое значение для характеристики ее строительных качеств. Скорость размокания пород определяет степень ее устойчивости под водой.
Для характеристики размокания пород обычно используют два показателя: время размокания, в течение которого образец породы, помещенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера; характер размокания, отражающий качественную картину распада образца породы.
Большая часть пород с кристаллизационными ионно-ковалентными структурными связями является практически неразмокаемой. В противоположность им дисперсные породы (у них эти связи отсутствуют) размокают. Плотные суглинки и глины, не размокающие в воде, размываются лишь при длительном воздействии текучей воды. Размокаемые связные породы, характеризующиеся слабыми структурными связями, размываются быстро, причем их размываемость обусловливается сопротивлением размоканию.

Сжимаемость.
Глинистые породы под влиянием нагрузки деформируются не разрушаясь. Свойства деформации характеризуются модулем деформации, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия.
Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, обусловленной смещением частиц относительно друг друга и соответственно уменьшением объема пор, вследствие деформации частиц породы, воды, газа.
При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой характеристике показателей относятся коэффициент уплотнения, коэффициент компрессии, модуль осадки , ко второй – коэффициент консолидации.

Сцепление. Сопротивление грунтов сдвигу – их важнейшее прочностное свойство, знание которого необходимо для решения инженерно-геологических задач. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами разрушаются, и происходит смещение одних частиц относительно других – грунт приобретает способность неограниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение грунта происходит в виде перемещения одной части массива относительно другой.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

В процессе проведения инженерно-геологических изысканий изучению подлежат грунты как основания, среда или материал будущих сооружений, заключенные в грунтах подземные воды, различные физико-геологические процессы во всех формах их проявления.

1. БУРОВЫЕ РАБОТЫ.

Наиболее трудоемким, дорогостоящим и длительным по времени видом работ при инженерно-геологических изысканиях являются буровые работы.

1.1. Назначение буровых работ.
К буровым работам относятся сооружение скважин инженерно-геологического назначения любого диаметра и глубины, которое осуществляется преимущественно механическим способом. Сооружение скважин помимо основного процесса – бурения скважин – включает в себя ряд вспомогательных работ: планировка площадки, монтаж и демонтаж вышки или мачты и другого бурового оборудования, приготовление промывочного агента, погружение и извлечение обсадных труб и др.
Под буровой скважиной понимается горная выработка, имеющая цилиндрическую форму и значительную длину при сравнительно малом диаметре. При инженерно-геологических изысканиях отношение длины к диаметру находится в пределах 0,2 – 0,001.
Буровые скважины на изысканиях проходятся для изучения геологического разреза, отбора образцов грунта с целью определения его состава, состояния и физико-механических свойств.
Задачи, решаемые с помощью бурения, определяют ряд специфических требований к этому процессу. Эти требования существенно отличаются от поисков и разведки полезных ископаемых, изучения и освоения подземных вод.
Сопоставляя геологоразведочное и инженерно-геологическое бурение, необходимо отметить, что техническая база для них общая. Однако, располагая общей технической базой, инженерно-геологическое и геологоразведочное бурение преследуют различные цели и решают различные задачи. Эти различия сводятся к следующему.
Объектом инженерно-геологического бурения является верхняя часть земной коры, находящаяся в зоне взаимодействия с инженерными сооружениями, для проектирования которых и осуществляется это бурение. Средняя глубина инженерно-геологических скважин составляет 10-15 метров. При геологоразведочном бурении средняя глубина скважин на порядок выше. Поэтому основной объем инженерно-геологического бурения осуществляется в нескальных грунтах, геологоразведочного – в скальных.
Образцы (керн), извлеченные в процессе геологоразведочного бурения, изучаются в основном с точки зрения их состава, при инженерно-геологическом бурении в равной мере является важным состав поднятых образцов, их состояние и свойства.
Перечисленные особенности предъявляют к технологии бурения инженерно-геологических скважин дополнительные требования. В результате инженерно-геологического бурения необходимость определения показателей состава, состояния и свойств массива грунта определяет широкое применение грунтоносов для отбора монолитов, что совершенно нехарактерно для геологоразведочного бурения. Сравнительно небольшая глубина при инженерно-геологическом исследовании делает возможным применение здесь методов зондирования, которые принципиально не отличаются от бурения. При геологоразведочных работах эти методы практически не применяются.
Основными требованиями к скважинам инженерно-геологического назначения являются: 1) получение исчерпывающих сведений о геологическом и гидрогеологическом строении исследуемых территорий, 2) получение достаточных и достоверных данных о физико-механических свойствах грунтов, 3) обеспечение возможности производства опытных работ с должным качеством как в процессе, так и по окончании бурения.

Остальные физические свойства грунтов (пористость, коэффициент водонасыщения и др.) определяются расчетным способом. К основным физическим свойствам грунтов относят плотность частиц грунта, влажность и плотность. Коэффициент сжимаемости или уплотнения (а) является классификационной характеристикой (табл. 4.1). Коэффициент сжимаемости грунтов. Коэффициент сжимаемости а, МПа-1. Практически… Читать ещё >

Физико-механические свойства грунтов ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

К основным физическим свойствам грунтов относят плотность частиц грунта, влажность и плотность.

Плотность частиц грунта (d₀) — это отношение массы твердых частиц грунта к их объему. Показатель характеризует твердую компоненту грунта и зависит от его минералогического состава, а присутствие в грунте органического вещества снижает эту величину. Средние значения d₀ песчаных и пылевато-глинистых грунтов следующие: песок — 2,66 г/см 3 ; супесь — 2,70; суглинок — 2,71; глина — 2,74. С увеличением содержания в грунте тяжелых минералов плотность частиц грунта увеличивается, достигая 3,0—3,4 г/см 3 в магматических основных породах (габбро, диабаз и др.).

Плотность грунта (d_v) — отношение массы грунта (включая массы воды в порах) к его объему. Величина плотности грунтов колеблется в широких пределах — от 1,2 до 3,5 г/см 3 — и зависит от минерального состава, пористости, влажности и других показателей. Показатели плотности широко используются при инженерно-геологической оценке различных типов грунтов.

Влажность (W, %) — отношение массы воды, содержащейся в грунте, к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы. Влажность грунтов зависит от их минерального и гранулометрического состава, пористости, содержания органических веществ, глубины залегания грунтовых вод и др. Влажность во многом определяет прочность, сжимаемость и другие свойства грунтов.

Остальные физические свойства грунтов (пористость, коэффициент водонасыщения и др.) определяются расчетным способом (12, "https://referat.bookap.info").

Пористость (Р, %) — отношение объема пор ко всему объему грунта. Пористость глинистых грунтов колеблется в пределах 40—60%, песчаных — 30—40%, а в илистых грунтах может достигать 70—90%. Наименьшей пористостью обладают магматические интрузивные и многие метаморфические грунты (от долей процента до 1—3%). Величина пористости грунтов влияет на сжимаемость, прочность и другие свойства.

Механические свойства грунтов (сжимаемость, прочность и др.) широко используются в строительной практике. Они необходимы для оценки степени устойчивости оползневых склонов, откосов выемок при гидротехническом и дорожном строительстве, для расчета величины осадок сооружений и т. д.

Сжимаемостью грунтов называют способность их под воздействием внешних нагрузок, не подвергаясь разрушению, уменьшаться в объеме (давать осадку) за счет уменьшения пористости и увеличения плотности. Сжимаемость зависит прежде всего от характера структурных связей и физического состояния грунтов, а также от их минерального состава, степени дисперсности и др.

Коэффициент сжимаемости или уплотнения (а) является классификационной характеристикой (табл. 4.1).

Коэффициент сжимаемости грунтов.

Коэффициент сжимаемости а, МПа- 1

Прочность грунтов — способность сопротивляться разрушению под воздействием механических напряжений. Прочностные характеристики грунтов необходимы для расчетов устойчивости оснований сооружений, оползневых склонов, откосов водохранилищ, котлованов и др. Важнейшей прочностной характеристикой рыхлых осадочных грунтов является сопротивление сдвигу.

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные. К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

Вложенные файлы: 1 файл

Геология.docx

Основные физико-механические свойства грунтов

Грунт — это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы — плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Объемная масса породы — это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.

Пористость — это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.

Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к массе абсолютно сухой породы в процентах.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации K_ф имеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1
Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1
Песок:
пылеватый. . . . . . . . . . . . 0,01-1
мелкозернистый. . . . . . . 1-5
среднезернистый. . . . . . .5-20
крупнозернистый. . . . . . 2.0-50
Гравий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50-150
Галечник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-500

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность — это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Уцругость — свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность — это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Прото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_крразделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3,— к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с f_кр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие — к I группе.

Плотность грунта p (или объёмная масса грунта, плотность влажного грунта) - масса единичного объёма грунта при его естественной влажности и ненарушенным природным сложением. Величина плотности грунта может зависеть от минерального состава, характера сложения и влажности (пористости) грунтов. Определение плотности грунта должно учитывать тот факт, что с увеличением количества примесей тяжёлых минералов плотность грунта увеличивается, а при увеличении примесей органических веществ пропорционально становится меньше. Отбор грунтов для исследования должен производиться с учетом постоянной влажности. Плотность дисперсных грунтов может варьироваться от 1,30 до 2,20 г/см3. Удельное давление на грунт также не сможет выступать постоянной величиной. Грунты, в состав которых входят жёсткие кристаллизационные и цементационные связи между частицами, будут обладать большей плотностью, которая будет приближаться к плотности твердых частиц при малой пористости.

Влажность грунта-наличие воды в грунте.Отношение веса воды к весу высушенного грунта.Определяетс по результатам взвешивания естественной пробы грунта и после его полного высушивания(при 105 С)

Факультет: Гидротехническое специальное строительство.

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 ̇ 2H3O, 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 грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены 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).

Читайте также: