Какими особыми свойствами обладают глинистые грунты
Глинистые грунты по праву считаются наиболее распространенным типом горных пород.
Рассмотрим более подробно характеристику глинистых грунтов:
- В их состав входят мельчайшие глинистые частицы (размером менее 0,01 мм, имеющие форму пластинок или чешуек) и частицы песка.
- Обладают большой пористостью, в связи с этим имеют способность свободно поглощать и удерживать воду. Даже при частичном высыхании удерживают в себе влагу.
- При замерзании жидкость превращается в лед, при этом увеличивая общий объем грунта. Все породы, которые содержат в себе частицы глины, подвержены этому негативному влиянию, и чем больше ее в составе, тем сильнее проявляется данное свойство.
- Благодаря консистенции глинистых грунтов, порода обладает связывающими свойствами, которые выражаются в способности сохранять свою форму.
- В соответствии с содержанием частиц глины, существует классификация глинистых грунтов: глина, суглинки и супеси.
- Способность деформирования породы без разрывов под воздействием внешних нагрузок, и сохранение формы после ее прекращения, называют пластичностью глинистых грунтов. Степень пластичности определяет строительные свойства глинистых пород: влажность, плотность, сопротивлению сжатию. При увеличении влажности происходит уменьшение плотности и сопротивление сжатию.
Гранулометрический состав и пластичность
Классификация глинистых грунтов более детально:
Супесь
- Содержание в супеси глинистых частиц около 10 %, остальной объем занимают песчаные частицы.
- По своим характеристикам почти не отличается от песка. Бывает двух видов: легкая (в составе до 6% глиняных частиц) и тяжелая (до 10%).
- Растирая супесь во влажных ладонях, отчетливо заметны частицы песка.
- Комки в сухом состоянии имеют рассыпчатую структуру и легко крошатся при ударе.
- Шар, сформированный из увлажненной супеси, при давлении легко рассыпается.
- Отличается сравнительно низкой пористостью (0,5-0,7), по причине высокого содержания песка.
- Несущая способность супеси имеет прямую зависимость от влажности глинистых грунтов.
Суглинок
В суглинке содержание глинистых частиц может достигать 30% от общего веса. Как и в супеси, суглинок содержит большую часть песка, поэтому его можно назвать песчано-глинистым грунтом.
- В сравнении с супесью, отличается большей связанностью, при определенных условиях может сохранять форму, не распадаясь на мелкие куски.
- Тяжелые суглинки содержат до 30% глинистых частиц, а легкие до 20%.
- Сухие куски сглинка не так тверды, как глина, при ударении рассыпаются на небольшие куски.
- При увлажнении суглинок мало пластичен.
- При растирании, в ладонях четко заметны песчаные частицы.
- Комки легко раздавливаются.
- Шар, сформированный из увлажненного суглинка, при надавливании превращается в лепешку, с характерными трещинами по краям.
- Пористость суглинка несколько выше, чем супеси (0,5–1).
Глина
В глине содержится более 30% глинистых частиц. Среди грунтов, она имеет наибольшую связанность.
- В сухом состоянии глина твердая, при увлажнении становиться пластичной, вязкой, прилипает к пальцам.
- При растирании в ладонях песчаных частичек практические не ощущается, комки раздавить довольно затруднительно.
- При разрезании ножом пласта сырой глины, на гладком срезе не видно песчинок.
- Скатанный шарик из увлажненной глины при надавливании превращается в лепешку без трещин.
- Обладает наибольшей пористостью (до 1,1).
Составы с различными примесями
Пылевато-глинистые грунты представляют собой состав, в котором содержится примесь органических веществ (0,05–0,1). По степени засоленности их разделяют:
- засоленные – содержание солей в составе превышает 5%;
- незасоленные;
Пылевато-глинистые грунты включают в свой состав специфические породы, которые проявляют неблагоприятные свойства при замачивании:
- набухающие – грунты, которые при замачивании химическими растворами или водой способны увеличиваться в объеме.
- просадочные – породы, которые под воздействием внешнего давления или собственного веса, а также при значительном увлажнении водой способны давать просадку.
Среди пылевато-глинистых пород следует отдельно выделить илы и лессы.
- Лессовые породы имеют характерную макропористость, в их составе содержится карбонат кальция, а при замачивании большим количеством воды под нагрузкой дают просадку, легко размокают и размываются.
- Илом называют осадок водоемов, который образовался в результате различных микробиологических процессов, имеющий влажность, граничащую с текучестью.
Все вышеперечисленные породы от супесей до глины, при создании определенных гидродинамических условий способны принимать плывунное состояние, превращаясь в густую, вязкую жидкость.
Посмотрите видео: Вывоз грунта
Глинистый грунт — связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности Ip >= 1.
Пластичность глинистых пород — способность глинистых пород изменять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил без разрыва сплошности и сохранять полученную при деформации новую форму после прекращения действия внешних сил.
Пластичные свойства глинистых пород зависят от влажности породы, степени дисперсности, минералогического состава, концентрации норового раствора, состава обменных катионов и пр.
Пластичность глинистых пород — характеризуется так называемыми пределами пластичности.
В инженерно-геологической практике пользуются показателями верхнего и нижнего пределов пластичности.
Верхним пределом пластичности (границей, пределом текучести) называется влажность, при которой грунт переходит из пластичного в текучее состояние.
Нижним пределом пластичности (границей, пределом раскатывания) называется влажность, при которой грунт переходит из пластичного в твердое состояние.
Разность между верхним и нижним пределами пластичности называют числом пластичности.
По числу пластичности (согласно строительным нормам и правилам 1954 г.) грунты подразделяются на следующие группы.
| Группа грунтов | Число пластичности |
| Глины …….. | >17 |
| Суглинки …… | 17 — 7 |
| Супеси ……. | 7 — 0 |
| Пески …….. | 0 |
Консистенция глинистых грунтов — степень подвижности частиц грунта при механическом воздействии на них.
Зависит от влажности грунта, степени дисперсности, минералогического состава и пр. Форма консистенции глинистых грунтов определяет несущие свойства их и, следовательно, поведение их под сооружениями.
Для глинистых грунтов характерна пластичная форма консистенции, поэтому глинистые грунты называют пластичными.
Показатель текучести IL — отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластичности Ip.
По показателю текучести IL глинистые грунты подразделяют согласно таблице
| Разновидность глинистых грунтов | Показатель текучести IL |
| Супесь: | |
| твердая | менее 0 |
| пластичная | от 0 до 1 |
| текучая | свыше 1 |
| Суглинки и глины: | |
| твердые | менее 0 |
| полутвердые | от 0 до 0,25 |
| тугопластичные | от 0,25 до 0,50 |
| мягкопластичнык | от 0,50 до 0,75 |
| текучепластичные | от 0,75 до 1 |
| текучие | свыше 1 |
Пористость — общий объем всех пустот в горной породе. Количественно пористость обычно выражают процентным отношением объема пустот (Vn) к общему объему грунта (V).
Пористость грунта может характеризоваться также отношением объема пустот (Fn) к объему твердой фазы (Fs); эта величина называется коэффициентом пористости, или приведенной пористостью, и выражается обычно в долях единицы.
Величина пористости может быть выражена и по весу (весовая пористость) как отношение веса воды (Gw ), полностью заполняющей поры грунта, к весу абсолютно сухого грунта (Gs).
По происхождению различают первичную пористость — возникающие при образовании данной породы пустоты между частицами, слагающими породу, пустоты в лавах и т. п., и вторичную пористость — пустоты, образующиеся в сформировавшихся породах в результате последующих процессов (поры растворения, трещины и пустоты, возникающие при кристаллизации, сокращении объема, выветривании и т. д.).
По размеру выделяют поры трех групп:
1) сверхкапиллярные >0,5 мм;
2) капиллярные 0,5 — 0,0002 мм;
3) субкапиллярные < 0,0002 мм.
Различают также пористость общую (абсолютную, физическую) — общий объем всех пор независимо от их формы, величины и взаимного расположения и пористость эффективную (динамическую) — объем тех пор, через которые происходит движение жидкости; эффективная пористость выражается отношением объема пор, не занятых связанной с породой водой, к общему объему горной породы.
Коэффициент водонасыщения Sr, д. ед. — степень заполнения объёма пор водой. Определяется по формуле:
где W — природная влажность грунта, д. ед.;
е — коэффициент пористости;
ρs — плотность частиц грунта, г/см3;
ρw — плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.
Объемная влажность горной породы — отношение объема воды, находящейся в порах, трещинах и других пустотах горной породы, к объему всей породи, выраженное в процентах.
Объемный вес влажного грунта — отношение веса данного объема грунта (G) к весу воды при 4° С, взятой в объеме (V) всего грунта (объем зерен -f- объем пор):
Ϫ=G/V (г/см3)
Объемный вес влажного грунта зависит от минералогического состава, пористости и влажности грунта. Численно он равен весу единицы объема грунта при данной пористости и влажности.
Максимального значения при данной пористости объемный вес влажного грунта достигает при полном заполнении пор водой.
Объемный вес твердой фазы (скелета) грунта— отношение веса твердых частиц или веса абсолютно сухой породы к весу воды при 4° С, взятой в объеме, равном объему всей породы (объем зерен -]- объем пор) при данной пористости.
Численно объемный вес твердой фазы грунта — равен весу единицы объема грунта за вычетом веса воды в порах (при естественной пористости грунта).
Чем больше объемный вес твердой фазы грунта, тем меньше пористость и больше плотность грунта.
Для грунтов, не изменяющихся в объеме при высушивании, объемный вес твердой фазы грунта может быть определен непосредственным взвешиванием абсолютно сухого образца. Для грунтов, сжимающихся при высушивании (связные грунты), он вычисляется по формуле:
G= A/1+0,01W
где W — естественная влажность; А — объемный вес грунта при естественной влажности.
где W — естественная влажность; А — объемный вес грунта при естественной влажности.
Плотность скелета грунта — плотность сухого грунта ρd, г/см3, определяемая по формуле:
Pd=P/1+W
где P — плотность грунта, г/см3;
W — влажность грунта, д. ед.
Глинистые грунты — тонкодисперсные осадочные породы, в которых содержится более 30% частиц диаметром менее 0,005 мм. Эти грунты встречаются главным образом в четвертичных отложениях и поэтому служат основанием сооружений, а также используются как строительный материал для земляных сооружений и т.д.
Основными признаками пылевато-глинистых грунтов, отличающими их по геологическим свойствам от несвязных грунтов, являются:
- • связность, сопротивление растяжению;
- • вязкопластичный характер деформирования;
- • протекание деформаций во времени;
- • возникновение и рассеивание порового давления при консолидации (процесс уплотнения водонасыщенных грунтов, сопровождающийся отжатием воды из пор грунта).
Основными физическими свойствами глинистых грунтов являются пористость, влажность, консистенция и многофазность. По этим физическим показателям косвенно можно судить о геотехнических свойствах грунтов, об их прочности, деформируемости, текучести и пр.
Очень важной характеристикой физического состояния пылевато-глинистых грунтов является их консистенция. По показателю консистенции судят о степени деформируемости грунта, его пластичности. Глинистые грунты в зависимости от влажности могут занимать положение между текучими, пластичными и твердыми телами. Влажности, при которых изменяется консистенция, принято называть пределами (границами) пластичности.
Влажность, при незначительном увеличении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее, называется границей текучести (СО/):
где т10 — масса воды в грунте; ms — масса скелета грунта.
Влажность на границе текучести определяется стандартным методом (см. п. 1.3).
Влажность, при незначительном уменьшении которой грунт переходит из пластичного состояния в твердое, называется границей раскатывания (
Разность между влажностями на границе текучести и на границе раскатывания называется числом пластичности (Jp):
Глинистые грунты в зависимости от числа пластичности подразделяются на супеси (0,01 Jp > 0,07), суглинки (0,07 JpJp).
Консистенцию глинистых грунтов определяют по показателю текучести (табл. 3.6), который вычисляется по формуле
где со — природная влажность; сор — влажность на границе раскатывания; со^ — влажность на границе текучести.
Значения показателя текучести в зависимости от разновидности глинистых грунтов
Глинистые грунты | Показатель текучести |
Супеси: | |
твердые | Jl |
пластичные | 0L 1,00 |
текучие | JL> 1,00 |
Суглинки и глины: | |
твердые | Jl |
полутвердые | 0 L 0,25 |
тугопластичные | 0,25 L 0,5 |
мягкопластичные | 0,5 L 0,75 |
текучепластичные | 0,75 L 1,00 |
текучие | JL> 1,00 |
При ориентировочных прикидках о пригодности грунтов в различных целях, пользуясь данными табл. 3.7 и 3.8, в полевых условиях можно установить состояние глинистых грунтов по консистенции и плотности.
Характеристики пылевато-глинистых (непросадочных) грунтов по консистенции (по Справочнику строителя, 1984)
Таблица 3.7
Консистенция | Признаки |
Супеси | |
Твердая | Образец грунта при ударе разбивается на куски. При сжатии в ладони рассыпается, превращаясь в пыль. Вырезанный кусок ломается без заметного изгиба |
Пластичная | Образец грунта легко разминается рукой, хорошо формуется и сохраняет приданную форму. При сжатии в ладони ощущается влажность. Иногда бывает липким |
Текучая | Образец грунта легко деформируется от незначительного нажима, не сохраняет приданную форму, растекается |
Суглинок и глина | |
Твердая | Образец грунта при ударе разбивается на куски, иногда при сжатии в ладони рассыпается: при растирании превращается в пыль. Ноготь вдавливается с трудом |
Консистенция | Признаки |
Полутвердая | Вырезанный брусок без заметного изгиба ломается, поверхность излома шероховатая, при разминании крошится. Ноготь вдавливается без особого усилия |
Тугопластичная | Вырезанный брусок грунта заметно изгибается еще до излома. Кусок грунта с трудом разминается руками, палец легко оставляет неглубокий отпечаток, но вдавливается лишь при сильном нажиме |
Мягкопластичная | Образец грунта на ощупь влажный. Кусок грунта легко разминается, но при формировании сохраняет приданную ему форму. Иногда эта форма сохраняется непродолжительное время. Палец вдавливается в образец при умеренном нажиме на несколько сантиметров |
Текучепластичная | Образец грунта на ощупь очень влажный. Разминается при легком нажиме пальцем, но сохраняет форму, липкий |
Текучая | Образец грунта на ощупь очень влажный. При формировании не сохраняет приданную форму, а помещенный на наклонную плоскость течет толстым слоем (языком) |
Таблица 3.8
Характеристики пылевато-глинистых грунтов по плотности (по Справочнику строителя, 1984)
Степень плотности грунта | Признаки |
Рыхлый | Лопата свободно входит в грунт. При выбрасывании куски грунта распадаются на мелкие частицы. При бурении буровая ложка легко уходит в грунт |
Средней плотности | Лопата нажимом ноги погружается в грунт на штык. Вынутые куски распадаются на части различной величины. Буровая ложка от 10 оборотов уходит в грунт на 15—20 см. Инструмент вращается относительно легко |
Плотный | Лопата идет в грунт с трудом, и сразу углубить ее на весь штык не удается. Куски грунта разламываются руками с усилием. Буровая ложка вращается с трудом |
Очень плотный | Лопата в грунт не погружается, разрабатывают его с помощью кирки и лома, а иногда — клиньев. Куски руками не разламываются. Бурят исключительно змеевиком. Бур вращается с помощью рычага, змеевик погружается в грунт с большим трудом (от 10 оборотов на 5—7 см) |
Таким образом, грунты характеризуются физическими и механическими свойствами. Для строительных целей физические свойства грунтов количественно оцениваются несколькими показателями или характеристиками. Для наглядности важнейшие физические характеристики свойств и их определения сведены в табл. 3.9.
Таблица 3.9
Характеристики физических свойств грунтов
Показатель | Условное обозначение | Единица физической величины | Способ определения или расчетная формула | Примечание |
Основные | ||||
Гранулометрический (зерновой) состав | « | мм | Ситовый метод | |
Плотность грунта | Р | г/см3; т/м3 |  | Р = 1,4— 2,2 г/см3 |
Природная влажность | со | дол. ед., % |  | |
Плотность твердых частиц грунта | Pv | г/см3; т/м3 |  | Р.9 = 2,5— 2,8 г/см3 |
Влажность на границе текучести | со/. | дол. ед., % |  | Только для пылеватоглинистых грунтов |
Влажность на границе раскатывания | С0/> | дол. ед., % | | |
Степень плотности сложения | Зд | дол.ед. |  | Только для песчаных грунтов |
Расчетные | ||||
Плотность сухого грунта | Pd | г/см3; т/м3 |  | |
Показатель | Условное обозначение | Единица физической величины | Способ определения или расчетная формула | Примечание |
Плотность грунта во взвешенном состоянии | P.sb | дол.ед. |  | Приближенно Pift Р Ри> |
Удельный вес частиц грунта | Ъ | кН/м3 |  | Ys = 25—28 кН/м3 |
Удельный вес грунта во взвешенном состоянии | Ъь | дол.ед. |  | Приближенно Ъь = У — У» |
Коэффициент пористости | е | дол.ед. |  | Часто 0,3— 0,6 и до 3,0 |
Пористость | п | дол.ед. |  | |
Полная влаго- емкость | ^sal | дол.ед. |  | |
Степень влажности | Sr | дол.ед. |  | Только для крупнообломочных и песчаных грунтов |
Число пластичности | Jp | дол.ед. |  | Только для пылеватоглинистых грунтов |
Показатель текучести | h | дол.ед. |  | Только для пылеватоглинистых грунтов |
Существует еще одна характерная влажность глинистых грунтов, носящая название оптимальной влажности ((Oonf). Оптимальная влажность — это влажность грунта нарушенной структуры, при которой достигается максимальная плотность (р5пшх) укладки грунта в тело земляного сооружения и т.д.
На рис. 3.6 приведены графики зависимости плотности скелета грунта от влажности при различной механической работе (А ] > Л2> А3), затраченной на уплотнение. Из рис. 3.6 видно, что при одинаковой работе уплотнение грунта зависит от его влажности. С увеличением влажности грунта плотность повышается, но, начиная с влажности, называемой оптимальной, ее увеличение приводит к уменьшению плотности при той же затраченной на уплотнение работе. При этом необходимо отметить следующее:
- • оптимальная влажность соответствует степени водонасыщения грунта (~ 0,1—0,85);
- • оптимальная влажность уменьшается с увеличением работы, затраченной на уплотнение;
- • при оптимальной влажности наблюдается минимальная водопроницаемость и максимальная прочность.
Рис. 3.6. Зависимость между плотностью твердых частиц грунта (ps) и влажностью (со) при различной работе (Л), затраченной на уплотнение грунта
Пример 3.5. Определить полное наименование вида и состояния глинистого грунта, если по данным лабораторного анализа известно: природная влажность со = 0,26; влажность на границе текучести со^ = 0,38; влажность на границе раскатывания со/> = 0,20.
Решение. Наименование вида глинистого грунта определяется по числу пластичности, которое вычисляется по формуле (3.20):
Число пластичности соответствует глине. Консистенция глинистого грунта определяется по показателю текучести, который вычисляется по формуле (3.21):
По показателю текучести (см. табл. 3.6) грунт относится к тугопластичным.
Полное наименование грунта — глина туго пластичная.
Пример 3.6. Определить наименование и свойства глинистого грунта, если известно: природная влажность со = 0,16; влажность на границе текучести со/, = 0,32; влажность на границе раскатывания Ш/> = 0,19; природная плотность р = 1,82 г/см3; плотность твердых частиц рЛ. = 2,72 г/см3.
Решение. По числу пластичности грунт относится к суглинкам, так как
По консистенции
Коэффициент пористости определяем по формуле (3.13):
В соответствии с данными табл. 3.6 суглинок находится в твердом состоянии.