Какие свойства у грунтов
Свойства грунта — это особенности грунта, обусловленные его составом, взаимоотношением и взаимодействием слагающих грунт компонентов (твердых, жидких и газообразных). Различают физические, механические, магнитные, электрические, водные и др. свойства. Здесь мы остановимся на физических и механических свойствах, поскольку на их основании производятся расчеты фундаментов, подпорных стенок и других элементов сооружений, взаимодействующих с геологической средой. Кроме того, свойства являются исходными данными (не единственными, но очень важными) для изучения и прогнозирования развития экзогенных геологических процессов.
Физические свойства грунтов
Физические свойства грунтов — особенности грунтов, определяющие их поведение в естественных условиях и при взаимодействии с продуктами инженерной и хозяйственной деятельности человека. Ниже приведены основные физические свойства грунтов.
1. Гранулометрический состав (для дисперсных грунтов) — количественное содержание в грунте первичных частиц по фракциям (размерам зерен), выраженное в процентах от общей массы грунта.
2. Плотность. При этом различают плотность грунта и плотность скелета грунта (т.е. частиц грунта).
3. Пористость и коэффициент пористости. Пористость характеризует объем пор в единице объема грунта, а коэффициент пористости — отношение объема пор к объему твердой компоненты.
4. Влажность. Различают естественную влажность — т.е. влажность образца на момент его отбора из горной выработки (причем она может быть весовой, т.е. отношение массы воды к массе скелета грунта, или объемной, т.е. отношение объема воды в грунте к объему всего грунта); степень влажности (коэффициент водонасыщения) — относительную долю заполнения пор водой в данном грунте; гигроскопическую влажность — отношение массы воды, удаляемой из образца воздушно-сухого грунта, высушенного при температуре 105 градусов до постоянной массы, к массе высушенного грунта.
5. Пределы пластичности (только для глинистых грунтов). Пластичность — это способность грунта деформироваться без разрыва сплошности под воздействием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения воздействия. Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее называется верхним пределом пластичности. Влажность, при которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое — влажность нижнего предела пластичности. Разность между значениями влажности для верхнего и нижнего пределов называется числом пластичности. Показатель консистенции — отношение разности весовой влажности и влажности нижнего предела к числу пластичности.
6. Набухаемость грунтов (только для глинистых) — способность грунтов увеличивать свой объем при замачивании. при этом развивается давление набухания.
7. Усадочность (для глинистых и органогенных грунтов) — способность грунтов уменьшать свой объем при обезвоживании.
8. Размокаемость — способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу.
9. Размягчаемость — способность скальных грунтов снижать свою прочность при взаимодействии с водой.
Механические свойства грунтов
Механические свойства грунтов — это те свойства, которые проявляются при приложении к грунтам нагрузок. Основные свойства:
1. Сжимаемость дисперсных грунтов — способность уменьшаться в объеме под действием внешнего давления. Компрессионная сжимаемость (компрессия) — способность грунта сжиматься под постоянной, ступенчато возрастающей нагрузкой.
2. Просадочность — способность лессовых и других пылеватых грунтов к уменьшению объема при дополнительном увлажнении. Различают просадки при природном давлении (от веса вышележащего грунта) и дополнительном (от веса сооружения).
3. Прочность — способность грунта сопротивляться разрушению под влиянием механических напряжений. Параметры прочности соответствуют критическим напряжениям, т.е. тем, при которых происходит разрушение грунта.
4. Модуль упругости (Е) — отношение напряжения, при котором начинается разрушение, к разности относительной деформации конца и начала разгрузки.
5. Модуль общей деформации (Ео) — отношение разности конечного и начального напряжений к разности конечной и начальной относительной продольной деформации.
6. Угол внутреннего трения — параметр линейной зависимости сопротивления сдвигу от вертикальной нагрузки. Для песчаных грунтов равен углу предельного откоса.
7. Сцепление — характеристика структурных связей грунта.
Литература:
В.В. Дмитриев, Л.А. Ярг. Методы и качество лабораторного изучения грунтов: учебное пособие. — М.: КДУ, 2008. — 542 с.
Е.М. Пашкин, А.А. Каган, Н.Ф. Кривоногова. Терминологический словарь-справочник по инженерной геологии. — М.: КДУ, 2011. — 952 с.
Главная—>Инженерные изыскания—>Свойства грунтов
§ I.1. СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Грунты оснований зданий и сооружений подразделяют на четыре основные группы: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.
Скальные — изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива.
Крупнообломочные — несцементированные грунты, содержащие более 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм.
Песчаные — сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% по массе частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (грунт не раскатывается в шнур диаметром 3 мм или его число пластичности Ip < 1).
Глинистые — связные грунты, для которых число пластичности Ip ≥ 1.
Песчаные грунты в условиях природного залегания подразделяют по плотности в зависимости от коэффициента пористости (табл. I-1), а глинистые — по консистенции (показатель текучести) (табл. I-2).
Таблица I-1
Подразделение песков по плотности в зависимости от коэффициента пористости e
| Пески | Плотность сложения песков | ||
| плотные | средней плотности | рыхлые | |
| Гравелистые, крупные и средней крупности Мелкие Пылеватые | e < 0,55 e < 0,6 e < 0,6 | 0,55 ≤ e ≤ 0,7 0,6 ≤ e ≤ 0,75 0,6 ≤ e ≤ 0,8 | e > 0,7 e > 0,75 e > 0,8 |
Таблица I-2
Подразделение глинистых грунтов по консистенции
Среди грунтов указанных групп необходимо выделять грунты, обладающие специфическими свойствами: илы, просадочные, набухающие и засоленные грунты, грунты с примесью растительных остатков и заторфованные, а также грунты искусственного происхождения (насыпные, закрепленные и т.п.).
Номенклатурные наименования и подразделения грунтов, а также критерии для выделения грунтов со специфическими свойствами и их характеристики приведены в главе СНиП 2.02.01-83*.
Для установления наименований грунтов, состава и состояния в условиях природного залегания, а также их поведения в основании зданий и сооружений должны быть определены следующие показатели свойств грунтов:
- – плотность, объемная масса и влажность для всех видов грунтов;
- – коэффициент пористости и степень влажности для крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов;
- – гранулометрический состав для крупнообломочных и песчаных грунтов;
- – влажности на границах текучести и раскатывания, число пластичности, консистенция и удельное сопротивление пенетрации для глинистых грунтов;
- – угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации для всех видов нескальных грунтов;
- – временное сопротивление одноосному сжатию скальных грунтов;
- – сопротивление сдвигу, относительное сжатие и коэффициент фильтрации для слабых глинистых и заторфованных грунтов;
- – относительная просадочность и начальное просадочное давление для просадочных грунтов;
- – относительное набухание и усадка, давление набухания и влажность набухания для набухающих грунтов;
- – количественное содержание солей для засоленных грунтов;
- – степень, заторфованности для песчаных и глинистых грунтов и степень разложения органического вещества для заторфованных грунтов.
По заданию проектной организации в случае необходимости могут определяться и другие характеристики грунтов.
В целом исследования свойств грунтов строительной площадки должны обеспечить:
- – определение типа фундаментов, их размеров и глубины заложения;
- – выбор, в случае необходимости, методов улучшения свойств грунтов основания;
- – установление вида и объема инженерных мероприятий по освоению площадки строительства;
- – выбор способов производства работ по устройству оснований и фундаментов.
Таблица I-3
Перечень действующих ГОСТов
| Характеристика грунта | ГОСТ |
| Плотность частиц грунта ρs, г/см3 | 5180-84 |
| Плотность грунта ρ, г/см3 | |
| Влажность w, % | |
| Гигроскопическая влажность wg, % | |
| Граница текучести wL, % | |
| Граница раскатывания wp, % | |
| Гранулометрический состав | 25100-95 |
| Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов | 12071-2000 |
| Сопротивление срезу (удельное сцепление и угол внутреннего трения) | 12248-96 |
| Временное сопротивление при одноосном сжатии | 12248-96 |
| Модуль деформации | 20276-99 |
В табл. I-3 приведен перечень действующих ГОСТов на определение характеристик грунтов, а в табл. I-4 даны формулы для вычисления основных физических характеристик.
Таблица I-4
Формулы для вычисления физических характеристик грунтов
Свойства грунтов оснований исследуются в процессе проведения инженерно-геологических изысканий, выполняемых в соответствии с нормативными документами на инженерные изыскания для строительства.
Инженерно-геологические изыскания осуществляются в соответствии с техническим заданием проектирующей организации, в котором определяются основной состав, детальность и порядок проведения изысканий. Основные требования к содержанию технического задания изложены в главе СНиП 11-02-96.
В результате проведения инженерно-геологических изысканий должны быть получены следующие данные:
- – местоположение и рельеф территории предполагаемого строительства, климатические и сейсмические условия и сведения о ранее выполненных исследованиях грунтов и грунтовых вод;
- – геологическое строение и литологический состав толщи грунтов и наблюдаемые неблагоприятные физико-геологические и другие явления (карст, оползни, просадки и набухание грунтов, горные подработки и т.п.);
- – гидрогеологические условия с указанием высотных отметок уровней грунтовых вод, в том числе на период промерзания, сезонных и многолетних амплитуд их колебаний и величин расходов;
- – агрессивность вод в отношении материалов конструкций;
- – стратиграфическая последовательность всех слоев, линз и прослоев сжимаемой толщи основания с указанием возраста, происхождения, номенклатурного вида, состава и состояния грунтов и их физико-механических характеристик;
- – опыт местного строительства;
- – прогноз изменения инженерно-геологических условий площадки строительства при возведении и эксплуатации зданий и сооружений;
- – трудоемкость производства земляных работ.
Смородинов М.И. Справочник по общестроительным работам. Основания и фундаменты
- Следующая
- Содержание
Рассмотрим группу характеристик грунта, которые используют при расчетах несущей способности основания или откоса, давления на крепь горных выработок или подпорную стенку и т. д. Свойства грунтов объединены в группы: физические, водно-физические и характеристики мерзлых грунтов.
Физические свойства
Эта группа включает характеристики, отражающие влажность, плотность, удельный вес, пористость (рис. 1), тепловые, электрические, магнитные и другие свойства.
Рис. 1. Графическое изображение физических характеристик грунта:
а — влажности; б — плотности; в — удельного веса; г — пустотности. 1, 2, 3 — соответственно газовый, жидкий и твердый компоненты грунта; 4 — вес грунта, сниженный за счет взвешивающего действия воды
К характеристикам влажности относят природную и гигроскопическую влажности, максимальную молекулярную влагоемкость и степень влажности (см. рис. 1, а). Первые три характеристики ω, ωg и ωmmc — это отношение массы воды в грунте естественного состояния, воздушно-сухом и содержащем только рыхлосвязанную пленочную воду, к массе сухого грунта. Степень влажности Sr — это отношение природной влажности к влажности полного водонасыщения. Все четыре характеристики выражаются в долях единицы. Степень влажности определяется расчетным путем, а три другие характеристики — экспериментально по ГОСТ 5180–84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». Сохранять ненарушенную структуру образца при этом не требуется. Степень влажности является классификационной характеристикой, с ее помощью грунты разделяют на маловлажные (0–0,5), влажные (0,5–0,8) и водонасыщенные (0,8–1). Три другие характеристики используются в расчетах других показателей (табл. 1).
К характеристикам, отражающим концентрацию массы вещества в грунте, относятся четыре разновидности плотности: плотность грунта ρ, плотность сухого грунта ρd, плотность частиц грунта ρs и плотность грунта при влажности полного водонасыщения ρsat. Во всех случаях это отношение массы к объему (см. рис. 1, б). Плотность грунта и частиц грунта определяют прямыми экспериментальными методами по ГОСТ 5180–84, а плотности сухого и полностью водонасыщенного грунта — расчетом (см. табл. 1). При определении плотности грунта ρ требуется сохранять природную влажность и ненарушенную структуру. Все четыре характеристики не являются классификационными и используются в расчетах других показателей. Измеряют их в килограммах на кубический метр.
Таблица 1. Формулы для расчета физических характеристик грунта
Примечание. ρω — плотность воды, ρω = 1000 кг/м3.
К характеристикам, отражающим концентрацию веса грунта, относятся удельный вес грунта γ, удельный вес сухого грунта γd, удельный вес частиц грунта γs, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды γsb и удельный вес полностью водонасыщенного грунта γsat (см. рис. 1, в). Определяют эти показатели расчетом, путем умножения соответствующей плотности на ускорение свободного падения. Удельный вес грунта используется для расчета давления от собственного веса грунта и других, связанных с ним давлений, а также характеристик и процессов, где нужно знать вес грунта или его частей. Удельный вес измеряют в килоньютонах на кубический метр.
К характеристикам, отражающим содержание пустот в грунте, относятся коэффициент трещинной пустотности, пористость и коэффициент пористости. Коэффициент трещинной пустотности kтр относится к трещиноватым грунтам, представляет собой отношение площади (объема) трещин к общей площади обнажения (объему блока) и измеряется в долях единицы. Этот показатель чаще всего определяют прямыми обмерами трещин в полевых условиях на обнажениях и на кернах или фотоспособом в скважинах. Он служит классификационной величиной и используется для отнесения массива грунта к одной из категорий по трещиноватости. Пористость n и коэффициент пористости e используют для оценки пустот в грунте с равномерным их распределением. Пористость — это отношение объема пор к общему объему грунта, а коэффициент пористости — отношение того же объема пор к объему твердой части грунта. Таким образом, пористость n представляет собой долю объема грунта, приходящуюся на пустоты, а коэффициент пористости e — соотношение объемов пор и твердой части грунта. Обе характеристики выражаются в долях единицы и связаны между собой (см. табл. 1 и рис. 1, г).
Определяют их чаще всего расчетом с использованием других характеристик. Пористость применяют в расчетах других показателей, а коэффициент пористости также служит классификационной величиной для оценки плотности сложения песка и выделения ила из глинистого грунта.
Другие физические характеристики используются в горном деле редко и здесь не приводятся.
Водно-физические свойства грунтов
Это большая группа характеристик, отражающих взаимодействие грунта с неподвижной и движущейся водой.
Рассмотрим некоторые характеристики, имеющие наибольшее значение при определении устойчивости бортов карьеров, зоны подтопления горных работ и т. п.
Установлено, что глинистые грунты при увеличении влажности от нуля до полного водонасыщения переходят из твердого состояния в пластичное, а затем — в текучее. Каждое из них можно оценить способностью грунта сохранять форму под действием собственного веса и характером деформации при разрушении. В твердом состоянии грунт сохраняет форму и разрушается с образованием трещин. Пластичный грунт также сохраняет форму, но разрушается без образования трещин, пластично, подобно очень вязкой жидкости. Текучее состояние отличается тем, что деформирующийся без разрывов грунт не сохраняет форму образца и принимает форму сосуда. Cостояние грунта разграничивают по искусственно подбираемым влажностям, которые называются влажностью на границе пластичности ωp, соответствующей точке его перехода из твердого состояния в пластичное, и влажностью на границе текучести ωL на переходе из пластичного в текучее состояние (по ГОСТ 5180–84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»). Значения этих влажностей используют для вычисления числа пластичности Ip по формуле
Число пластичности — это интервал влажности, в пределах которого грунт находится в пластичном состоянии. Оно используется как классификационный показатель для отделения глинистого грунта от песчаного и для определения его названия (см. рис. 2).
Состояние (консистенция) грунта оценивается показателем текучести IL:
где ω — природная влажность.
Из этой формулы следует, что при ω < ωp числитель становится меньше нуля (показатель текучести будет отрицательным), а при ω > ωL — больше единицы. Таким образом, если показатель текучести отрицательный, то глинистый грунт находится в твердом состоянии, если больше единицы — то в текучем, а в интервале от нуля до единицы — в пластичном (см. рис. 2).
Рис. 2. Кривые гранулометрического состава песчано-пылевато-глинистых грунтов:
1, 2 — тяжелая и легкая глина по классификации В. В. Охотина; 3 — суглинок; 4 — супесь; 5–7 — песок (5 — неоднородный, 6 — однородный, 7 — гравелистый)
В практическом отношении важно, что показатель текучести связан с прочностью, сжимаемостью и другими характеристиками грунта. Зная наименование глинистого грунта и значение его показателя текучести, можно оценить его строительные свойства и предвидеть поведение под нагрузками.
Плывунность, так же как и разжижаемость, присуща водонасыщенным мелкозернистым песчаным или песчано-пылевато-глинистым грунтам рыхлого сложения. Она проявляется при вскрытии пласта грунта горной выработкой. К разжижению приводит воздействие гидродинамического давления, т. е. большой перепад давлений воды в пласте и выработке. К такому же разжижению песков и переходу их в подвижное состояние приводит воздействие динамических нагрузок на песчано-коллоидные тиксотропные грунты.
А. Ф. Лебедев разделил плывуны на истинные, или «злостные» плывуны и псевдоплывуны, или пассивные.
Истинными плывунами называют водонасыщенные пески, содержащие пылевато-глинистые и коллоидные частицы. Эти грунты отличаются высокой (более 0,4) пористостью, плохо отдают воду, обладают низкими значениями коэффициента фильтрации, способны переходить в тиксотропное состояние под действием динамической нагрузки.
Псевдоплывуны — те же грунты, но без глинистых и коллоидных частиц. Они лучше отдают и фильтруют воду. Для разжижения псевдоплывунов требуется более высокое гидродинамическое давление.
Плывуны сильно затрудняют строительные и горнопроходческие работы. Известны случаи, когда попытки вычерпать плывун приводили к оседанию поверхности на расстоянии до 100 м.
Наиболее эффективным способом борьбы с истинными плывунами считается применение шпунтовых ограждений или закрепление их замораживанием, силикатизацией и т. д. Для борьбы с псевдоплывунами, кроме того, можно использовать осушение массива.