Основные физические характеристики грунтов. Дополнительные характеристики грунтов.

Трещины и их влияние на свойства грунтов

Прочностные свойства грунтов зависят не от прочности отдельных минеральных зерен, а от структурных связей между отдельными минеральными частицами.

Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на жесткие (кристаллизационные) связи и пластичные, вязкие (водно-коллоидные) связи. Жесткие связи характерны для скальных грунтов, пластичные – главным образом для глинистых грунтов.

Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нерастворимыми. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водно-коллоидные связи.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяют на связные (супеси, суглинки, глины) и несвязные, сыпучие (крупнообломочные и песчаные грунты).

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов, вызываемое трением в точках контакта частиц, называют внутренним трением грунта.

Трещины наиболее часто встречаются в скальных грунтах, плотных глинах, и изредка в песчаных грунтах. По степени расчлененности трещинами скальные грунты разделяют на: монолитные – если трещин нет, либо они есть, но не пересекаются; трещиноватые – трещины частично пересекаются, оставляя между блоками мостики прочного скального грунта; разборные – трещины образуют густую сеть, пересекаются и полностью разделяют обломки породы.

Трещины оказывают негативное влияние на свойства грунтов. По трещинам возможны сдвиги частей скального грунта под нагрузкой. Глинистые и песчаные грунты также могут иметь сеть трещин, по которым будет происходить замачивание массива, отрыв и соскальзывание при оползнях, следовательно, пренебрегать их трещиноватостью нельзя.

Оценка каждой разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Некоторые из них применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, другие – для классификации грунтов. Основными физическими характеристиками грунтов являются:

Плотностью ρ называется отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему. Плотность песчаных и глинистых грунтов — 1,5...2 т/м³; полускальных неразрыхленных грунтов — 2...2,5 т/м³, скальных — более 2,5 т/м³.

ρ=m_g/V_g

 

Плотность частиц грунта ρ_s— отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта.

ρ_s=m_s/V_s

Плотность скелета грунта — плотность сухого грунта, ρ_d.

ρ_d= ρ/1+w

w – влажность грунта.

Влажностью w называется отношение массы воды в порах грунта к массе высушенного грунта.

w =m_ω/m_s

Влажность грунтов определяют высушиванием пробы грунта при температуре 105°С до постоянной массы. Отношение разности масс пробы до и после высушивания к массе абсолютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое в процентах или долях единицы. Грунты влажностью до 5 % считают сухими, свыше 30 % — мокрыми, а от 5 до 30 % — нормальной влажности.

Для повышения производительности машин и снижения трудоемкости некоторых работ (уплотнение грунта во время обратной засыпки котлованов, устройство насыпей, трамбование грунта и др.) грунты стремятся доводить до оптимальной влажности, определяемой гранулометрическим составом грунта, требуемой его плотностью, типом применяемых машин и другими факторами.

При значительной влажности глинистых грунтов появляется липкость. Большая липкость грунта усложняет его выгрузку из ковша машины или кузова, условия работы конвейера или передвижение машины.

Долю заполнения пор грунта водой — степень влажности S_r рассчитывают по формуле:

 

ρ_w – плотность воды (1г/см³).

е – коэффициент пористости;

 

 

 

Под пористостью грунтов понимают наличие в них мелких пустот. Количественно пористость обычно выражают процентным от­ношением объема пустот (V_n) к общему объему грунта (V); эту величину называют пористостью и обозначают через n.

пористость п – отношение объема пор в образце грунта к объему самого образца:

 

 

Кроме того, пористость грунта может характеризоваться отно­шением объема пустот (V_n) к объему твердой фазы (V_s) - эта величина называется коэффициентом пористости, или приведенной пористостью, и выражается обычно в долях единицы. e=(ρ_s − ρ_d)/ρ_d

коэффициент пористости е грунта – отношение объема пор к объему твердых частиц:

 

Наименование песков по плотности, в зависимости от коэффициента пористости:

 

 

 

Характеристики пластичности пылевато-глинистых грунтов — это влажности на границах текучести w_L и раскатывания w_p, определяемые в лабораторных условиях, а также число пластичности I_p и показатель текучести (консистенции) I_L вычисляемые по формулам:

 

Граница текучести – влажность грунта, находящегося м/у пластичным и текучим состоянием.

Граница пластичности - влажность грунта, находящегося м/у твердым и пластичным состоянием.

Характеристики w_L, w_p и I_р являются косвенными показателями гранулометрического и минералогического состава пылевато-глинистых грунтов.

 

 

I_p=1-7% — супесь.

I_p=7-12% — лёгкий суглинок

I_p=12-17% — тяжёлый суглинок

I_p=17-27% — лёгкая глина

I_p > 27% — тяжёлая глина

 

 

 

Дополнительными характеристиками грунтов являются содержание органических веществ, засоленность, льдистость. Относительное содержание органических веществ в грунте I_om определяется как отношение их массы в образце сухого грунта к массе образца. Засоленность грунтов d₀ определяется как отношение минимального суммарного содержания легко- и среднерастворимых солей к массе сухого грунта. Льдистость различают весовую и объемную. Весовая льдистость i – отношение массы льда к массе всей воды, содержащейся в грунте. Объемная льдистость i_об – отношение объема льда к объему всей воды, содержащейся в грунте.

Грунт по своей природе – тело неоднородное. Определение какой-либо его характеристики по одному образцу дает только ее частное значение. Поэтому различают нормативные X_н и расчетные X значения физических характеристик грунта.

 

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

 

Для расчетов деформаций, устойчивости грунта и оценки прочности оснований необходимо знать механические характеристики используемых грунтов.

 

Деформационные характеристики:

- Модуль упругости Е, МПа - (модуль Юнга) коэффициент пропорциональности между вертикальным давлением на грунт и относительной вертикальной деформацией грунта. Определяется по опытам на сжатие при разгрузке первоначально уплотненного образца.

- Модуль общей деформации– Е₀, МПа – коэффициент пропорциональности между давлением и относительной линейной деформацией грунта, возникающей под этим давлением.

Слабыми (мягкими) называются грунты, у которых модуль общей деформации менее 5 МПа.

Модуль упругости всегда больше модуля общей деформации. Модуль упругости определяется из испытаний образцов грунта при их упругом поведении, которое имеет место при разгрузке, а модуль общей деформации, характеризует поведение грунта при наличии как упругих, так и остаточных деформаций.

- Коэффициент сжимаемости – m₀, МПа^-1– величина, показывающая степень сжимаемости при невозможности бокового расширения грунта.

 

Сжимаемость грунтов (осадка или деформация) – способность грунта уменьшаться в объеме под воздействием уплотняющих нагрузок. По физическому строению грунт состоит из отдельных частиц различной крупности, минерального состава (скелет грунта) и пор, заполненных жидкостью (вода) и газом (воздух). Частицы в грунте бывают связанные и несвязанные между собой, но независимо от этого, прочность связей всегда ниже прочности частиц. При возникновении напряжений сжатия изменение объемов происходит за счет уменьшения объемов, располагающихся внутри грунта пор, заполненных водой или воздухом. Сжатие полностью водонасыщенных грунтов возможно только при условии вытеснения воды из пор грунта.

По характеру усадки разделяют упругие и пластические деформации. Упругие деформации возникают в результате нагрузок, не превышающих структурную прочность грунтов, т.е. не разрушающих структурные связи между частицами и характеризуются способностью грунта возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузок. Пластические деформации разрушают скелет грунта, нарушая связи и перемещая частицы относительно друг друга. При этом объемные пластические деформации уплотняют грунт за счет изменения объема внутренних пор, а сдвиговые пластические деформации – за счет изменения его первоначальной формы и вплоть до разрушения.

 

Прочностные характеристики:

- Сопротивление сдвигу

Предельным сопротивлением сдвигу (растяжению) называется способность грунта противостоять перемещению частей грунта относительно друг друга под воздействием касательных и прямых напряжений. Этот показатель характеризуется прочностными свойствами грунтов и используется в расчетах оснований зданий и сооружений. Способность грунта воспринимать нагрузки не разрушаясь, называют прочностью. В песчаных и крупнообломочных несвязных грунтах сопротивление достигается в основном за счет силы трения отдельных частиц, такие грунты называют сыпучими. Глинистые грунты обладают более высоким сопротивлением к растяжению (сдвигу), т.к. наряду с силой трения сдвигу противостоят силы сцепления.

- Водопроницаемость грунтов.

Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду и обуславливается физическим строением и составом грунта. При физическом строении с меньшим содержанием пор, и при преобладании в составе частиц глины водопроницаемость будет меньшей, нежели у пористых и песчаных грунтов соответственно. В строительстве он влияет на устойчивость земляных сооружений и обуславливает скорость уплотнения грунтов оснований и оползневые явления (в т.ч. и на сопротивление растяжению).

- Фильтрация.

Фильтрацией называется движение свободногравитационной воды в грунтах в различных направлениях (горизонтально, вертикально вниз и вверх) под воздействием гидравлического градиента (уклона, равного потере напора на пути движения) напора. Коэффициентом фильтрации (K_f) принято считать скорость фильтрации при гидравлическом градиенте равном единице.

 

 

 

 

 

- Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Оценка прочности скальных грунтов производится по пределу прочности на одноосное сжатие R_c (МПа), а нескальных грунтов по их механическим про чностным характеристикам (удельное сцепление – с (кПа, МПа)).

 

Очень прочный R_c > 120

Прочный 120 ≥ R_c > 50

Средней прочности 50 ≥ R_c > 15

Малопрочный 15 ≥ R_c > 5

Пониженной прочности 5 ≥ R_c > 3

Низкой прочности 3 ≥ R_c ≥ 1

Весьма низкой прочности R_c < 1

 

Угол внутреннего трения (φ,°) – параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как угол наклона этой прямой к оси абсцисс.

Удельное сцепление грунта (c, МПа) – параметр прямой зависимости сопротивления грунта срезу от вертикального давления, определяемый как отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат. Сцепление определяется начальным сопротивлением грунта сдвигу и зависит от вида грунта и степени его влажности. Сцепление песчаных грунтов — 0,03... ...0,05 МПа, глинистых — 0,05... ...0,3МПа, полускальных —0,3...4МПа и скальных — более 4 МПа.

Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления k_p представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к его объему в природном состоянии; для песчаных грунтов k_p = 1,15... 1,2, для глинистых k_p = 1,2...1,3, для полускальных и скальных грунтов при взрывании «на встряхивание» k_p изменяется от 1,1 до 1,2, а при взрывании «на развал» — от 1,25 до 1,6 (при большой кусковатости до 2).

Коэффициент остаточного разрыхления kp.o характеризует остаточное увеличение объема грунта (по сравнению с природным состоянием) после его уплотнения. Значение коэффициента kp.о обычно меньше kp на 15...20 %.

 

Для строительных целей используют упрощенную классификацию грунтов