Классификация грунтов и их физико-механические свойства

Под грунтами в строительстве подразумеваются горные породы, образующие поверхностные слои земли и составляющие так называемую кору выветривания, которые могут служить основанием или материалом для различных инженерных сооружений, в том числе автомобильных дорог и аэродромов.

Грунты, используемые для сооружения насыпей, разделяют на четыре основные группы:

скальные, добываемые путем разрушения естественных сплошных или трещиноватых скальных массивов;

крупно обломочные — несцементированные грунты, содержащие более 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм; песчаные — сыпучие в сухом состоянии грунты, не обладающие свойствами пластичности (число пластичности меньше единицы) и содержащие менее 50% по массе частиц крупнее 2 мм;

глинистые, обладающие связностью в сухом состоянии, с числом пластичности более единицы. При значительном увлажнении такие грунты размокают и теряют прочность.

При возведении земляного полотна и устройстве различных инженерных сооружений на автомобильных дорогах наиболее часто приходится иметь дело с песчаными и глинистыми грунтами. Для насыпей используют те грунты, состояние которых под действием природных факторов не изменяется или изменяется незначительно, что не влияет на прочность и устойчивость в земляном полотне. К ним относятся скальные неразмягчаемые породы, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых), супеси легкие и крупные. Эти грунты используют без ограничений.

Грунты глинистые, мелкие и пылеватые пески, размягчаемые скальные грунты пригодны для сооружения земляного полотна, но при этом имеются некоторые ограничения.

Не применяют для насыпей грунты глинистые избыточно засоленные; глинистые, влажность которых выше допустимой; торф, ил, мелкий песок и глинистые грунты с примесью ила и органических веществ; верхний почвенный слой, содержащий в большом количестве корни растений; содержащие гипс в количестве, превышающем норму.

Кроме грунтов природного происхождения, для насыпей используют отходы промышленности (золошлаковые материалы, отвалы горнодобывающей промышленности и др.).

Основным способом разработки грунтов машинами для земляных работ (кроме машин для гидромеханизации) является механический способ, при котором часть грунта или породы от массива отделяется ножевым или ковшовым рабочим органом путем резания, откола, отрыва, обрушения под действием статических, динамических или виброударных нагрузок.

К основным физико-механическим свойствам грунтов, характеризующим их способность сопротивляться внешним нагрузкам, относятся гранулометрический состав, плотность, влажность, пластичность, липкость, разрыхляемость, связность, сопротивление сдвигу

Плотность характеризуется массой единицы объема грунта, взятой в естественном залегании (в плотном теле). Для песчаных и глинистых грунтов она составляет 1,6-2,0, для скальных — 2,2-3,5 т/мЗ.

Влажность определяется содержанием воды в грунте, измеренным в процентах. Грунты, разрабатываемые строительными машинами, обычно имеют влажность 10-20%.

Пластичность — способность грунта изменять, не разрушаясь, свою форму, сохраняемую после снятия нагрузки. Пластичные грунты (глины, суглинок) хорошо уплотняются, хорошо заполняют ковшовые емкости, но налипают на рабочее оборудование.

Разрыхляемостью называют способность грунтов, пород, материалов при разработке увеличиваться в объеме.

Коэффициент разрыхления Кр представляет собой отношение грунта в разрыхленном состоянии к объему грунта в естественном состоянии. Для большинства грунтов К = 1,1 — 1,4, для мерзлых фунтов и скальных пород Кр = 1,5 - 1,7.

На сопротивление сдвигу грунта влияет связность (сцепление) и трение грунтов. Связность характеризует способность грунтов противостоять воздействию внешних сил. К связным грунтам относятся глины, к несвязным — сухие пески.

Комплексными показателями для оценки разрабатываемое грунтов рабочими органами строительных машин являются удельные сопротивления грунта резанию Крез и копанию Кк, т. е. сопротивления на рабочих органах, отнесенные к площади поперечного сечения вырезаемой стружки. При этом сопротивление копанию включает в себя все сопротивления при разрушении грунта и наполнении рабочего органа, а сопротивление резанию — только сопротивление от вырезания стружки.

Картина процесса копания и набора грунта рабочими органами всех землеройно-транспортных машин и многих землеройных машин в принципе аналогична (рис. 8.3). Режущие ножи в нижней части рабочих органов отделяют грунт от массива (происходит процесс резания). Вырезанный грунт затем захватывается и накапливается рабочими органами. При этом происходят такие явления, как движение грунтовой стружки и образование призмы волочения.

 

 


а б в

 

Рис. 8.3. Схемы копания и набора фунта рабочими органами землеройно-транспортных машин:

а — с отвалами бульдозера и автогрейдера; б — ковшом скрепера; в — ковшом скрепера с элеваторной загрузкой (цифры обозначают ориентировочную последовательность заполнения рабочих органов)

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.

Упругость — 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.

Песок, супесь........................................... 1,1-1,2

Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3

Полускальные породы........................... 1,3-1,4

Скальные породы:

средней прочности...................... 1,4-1,6

прочные......................................... 1,6-1,8

очень прочные.............................. 1,8-2,0

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 fкр, разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости fкр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие fкр=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 fKp=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие — к I группе.

 

 

Грунтовая стружка поднимается вверх по поверхности отвалов под призмой волочения — у отвальных рабочих органов или внутри накопляемых масс грунта — у ковшовых рабочих органов. Совокупность этих процессов, включая и резание, называют копанием.

Удельные сопротивления резанию и копанию зависят не только от физико-механических свойств грунтов, но и от типа и параметров рабочего оборудования, т. е. являются одновременно как прочностными характеристиками грунтов, так и показателями энергоемкости резания и копания. Удельные сопротивления используют при расчетах, испытаниях и исследованиях машин, но ввиду трудоемкости их определения в полевых условиях (сложные силоизмерительные подвески рабочих органов или их моделей, трудоемкие расчеты и замеры объемов грунтовых масс) классификация разрабатываемое грунтов по удельным сопротивлениям резанию и копанию затруднена.

В основу принятой классификации грунтов по группам трудности их разработки, предложенной профессором А. Н. Зелениным, положен более простой показатель — прочность грунтов по числу ударов специального плотномера — ударника ДорНИИ. Ударник ДорНИИ представляет собой простейший прибор по типу забиваемого стержня. Стержень погружается в грунт под действием ударов падающей гири. Масса гири 2,5 кг, высота ее падения 400 мм, площадь сечения стержня 1 см2, глубина погружения 100 мм.

Достоинство ударника ДорНИИ — простота оценки прочности грунта, недостаток классификации грунтов по показаниям ударника ДорНИИ — условность оценки разрабатываемое грунта по одним прочностным показателям независимо от типа рабочего оборудования. Некоторые исследователи на основе обработки и обобщения результатов экспериментов рекомендуют корреляционные зависимости между числом Ударов ударника ДорНИИ и удельным сопротивлением резанию и копанию.

В практике строительства используют еще одну классификацию грунтов — так называемую производственную классификацию по группам трудности разработки механическими способами. Несмотря на качественное описание характеристик грунта в этой классификации, ее применяют при нормировании выработки и расценке строительных работ.

 

ПРИРОДНЫЕ СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ

 

 

1. Классификация грунтов по пределу прочности на одноосное сжатие Rc в водонасыщенном состоянии:
Разновидность грунтов Предел прочности на одноосное сжатие Rc, МПа
Очень прочный >120
Прочный 120 - 50
Средней прочности 50-15
Малопрочный 15-5
Пониженной прочности 5-3
Низкой прочности 3-1
Очень низкой прочности <1
2.Классификация грунтов по плотности скелета p d :

 

 

Разновидность грунтов Плотность скелета р d, г/см3
Очень плотный >2,50
Плотный 2,50 - 2,10
Рыхлый 2,10 – 1,20
Очень рыхлый <1,20
3. Классификация грунтов по коэффициенту выветрелости Kwr:
Разновидность грунтов Коэффициент выветрелости, Kwr
Невыветрелый
Слабовыветрелый 1 – 0,90
Выветрелый 0,90 -1,00
Сильновыветрелый 0,80
4. Классификация грунтов по степени размягчаемости в воде:
Разновидность грунтов Коэффициент размягчаемости К so р , д. е.
Неразмягчаемый > = 0,75
Размягчаемый <0,75
5. Классификация грунтов по степени растворимости в воде:
Разновидность грунтов Количество воднорастворимых солей qsr, г/л
Нерастворимый <0,01
Труднорастворимый 0,01 - 1
Среднерастворимый 1 - 10
Легкорастворимый >10
6. Классификация rpyнтов по степени водопроницаемости:
 
Разновидность грунтов Коэффициент фильтрации Кф, м/сут
Неводопроницаемый < 0,005
Слабоводопроницаемый 0,005 - 0,30
Водопроницаемый 0,30 - 3
Сильноводопроницаемый 3-30
Очень >30
сильноводопроницаемый
7. Классификация грунтов по степени засоленности Dsal, %:
Разновидность грунтов Количество воднорастворимых солей D sal , %
Незаселенный < = 2
Засоленный >2
8. Классификация грунтов по структуре и текстуре
Подруппа грунтов Структура Текстура
Магматические Интрузивные Мелко-, средне- и крупнокристаллическая Массивная, порфировая, миндалекаменная
Эффузивные Стекловатая, неполнокристаллическая  
    Метаморфические     Такая же, как у магматических грунтов Гнейсовая, сланцеватая, слоисто- сланцеватая, тонкослоистая, нолосчатоя, массивная и др.
     
Осадочные Мелко-, средне- и крупнокристаллическая Массивная, слоистая
9. Классификациягрунтов по температуре :
Разновидность грунтов Температура грунта t, °С
Немерзлый (талый) > = 0
Морозный <0
пылеватый >0,10 <75
             

 

 

ПРИРОДНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ ГРУНТЫ

 

1. Классификация крупнообломочных грунтов и песков по гранулометрическому составу:
Разновидность грунтов Размер зерен, частиц d, мм ■ Содержание зерен, частиц, % по массе
Крупнообломочные:
валунный (при преобладании неокатанных частиц - глыбовый) >200 >50
галечниковый (при неокатанных гранях - щебенистый) >10 >50
гравийный(при неокатанных гранях - дресвяный) >2 >50
  Пески:  
гравелистый >2 >25
крупный >0,50 >50
средней крупности >0,25 >50
мелкий >0,10 > = 75

 

пылеватый >0,10 <75 т
Примечание: при наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% от обшей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. По степени неоднородности гранулометрического состава Сu крупнообломочные грунты и пески подразделяют на: - однородный грунт С u < =3; - неоднородный грунт Сu > 3. ■ ■
2. Классификация глинистых грунтов по числу пластичности I p :
Разновидность глинистых грунтов Чисто пластичности
Супесь 1-7
Суглинок 7-17 ■ ■
Глина >17 ■ ■
3. Классификация глинистых грунтов по гранулометрическому составу и числу пластичности Ip
Разновидность глинистых грунтов Число пластичности Ip Содержание песчаных частиц (2-0,5 мм), % по массе
Супесь:    
     
песчанистая 1-7 > = 50  
пылеватая 1-7 <50  
Суглинок:
легкий песчанистый 7-12 > = 40  
легкий пылеватый 7-12 <40  
тяжелый песчанистый 12-17 > = 40  
тяжелый пылеватый 12-17 <40  
  Глина:    
легкая песчанистая 17-27 > = 40  
легкая пылеватая 17-27 <40  
тяжелая >27 не регламентируется
4. Классификация глинистых грунтов по наличию включений:
Разновидность глинистых грунтов Содержание частиц крупнее 2 мм, % по массе
Супесь, суглинок, глина с галькой (щебнем) 15-25 J
   
Супесь, суглинок, глина галечниковые (щебенистые) или гравелистые (дресвяные) 25-50
  5. Классификация глинистых грунтов по показателю текучести IL :
Разновидность глинистых грунтов Показатель текучести IL
Супесь:    
твердая <0  
пластичная 0 - 1  
текучая >1  
Суглинки и глины:    
твердые <0  
полутвердые 0 - 0,25  
тугопластичные 0,25 - 0,50  
мягкопластичные 0,50 - 0,75  
текучепластичиые 0,75 - 1,00  
текучие >1,00  
6. Классификация глинистых грунтов по относительной деформации набухания без нагрузки Еsw:  
Разновидность глинистых грунтов   Относительная деформация набухания без нагрузки Esw, д. е.
Ненабухающий <0,04
Слабонабухающий 0,04 - 0,08 ■ ■
Средненабухающий 0,08 - 0,012 ■ ■
Сильнонабухающий >0,12 ■ ■
7. Классификация глинистых грунтов по относительной деформации просадочности Еsl :  
Разновидность глинистых грунтов Относительная деформация   просадочности Еsl, д. е.
Непросадочный <0,01  
Просадочный > = 0,0  
8. Классификация крупнообломочных грунтов и песков по коэффициенту водонасыщения Sr:  
Разновидность грунтов Коэффициент водонасыщения Sr д. е.
Малой степени водонасыщения 0 - 0,50  
Средней степени водонасыщения 0,50 - 0,80    
Насыщенные водой 0,80 – 1,00    
9. Классификация песков по коэффициенту пористости е:  
Коэффициент пористости е  
Разновидность песков Пески гравелистые, крупные и средней крупности Пески мелкие Пески пылеватые  
Плотный <0,55 <0,60 <0,60  
Средней плотности   0,55 – 0,70 0,60 – 0,75 0,60 – 0,80  
Рыхлый <0,70 >0,75 >0,80  
10. Классификация грунтов по степени плотности ID:  
Разновидность песков    
Слабоуплотненный 0 – 0,33  
Среднеуплотненный 0,33 – 0,66  
Сильноуплотненый 0,66 – 1,00  
11. Классификация крупнообломочных грунтов по коэффициенту выветрелости Кwr :  
Разновидности крупнообломочных грунтов Коэффициент истираемости Кwr, д.е.  
Очень прочный <0,10  
Прочный 0,10 – 0,20  
Средней прочности 0,20 – 0,30  
Малопрочный 0,30 – 0,40  
Пониженной прочности >0,40  
12. Классификация глинистых грунтов и песков по относительному содержанию органического вещества Ir :  
    Разновидность грунтов Относительно содержание органического вещества Ir, д.е.  
Глинистые грунты Пески
Сильнозаторфованный 0,50 – 0,40 -  
Среднезаторфованный 0,40 – 0,25 -  
Слабозаторфованный 0,25 – 0,10 -  
С примесью органических веществ 010 – 0,05 0.10 – 0,03  
13. Классификация сапролпелей по относительному содержанию органического вещества Ir:  
Разновидность сапропелей Относиетльное содержание органического вещества Ir, д.е.  
Минеральная 0,10 - 0,30
Среднеминеральная 0.30 – 0,50
Слабоминеральная >0,50
   
14. Классификация торфов по степени раpложения D dp :
Разновидность торфов Степень разложения, Ddp, %
Слаборазложившийся <20
Среднеразложившийся 20 - 45
Сильноразложившийся > 45
15. Классификация торфов по степени зольности D ds:
Разновидность торфов Степень зольности D ds, д. е.
Нормальнозольный <0,20
Высокозольный Ø 0,20
16. Классификация грунтов по относительной деформации пучения Efn:  
Разновидность грунтов Относительная деформация пучения En,, д. е. Характеристика грунтов
    Практически непучинистый     <0,01   Глинистые при I l < = 0 Пески гравелистые, крупные и средней крупности, пески мелкие и пылеватые при S г < = 0,6, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15% по массе частиц мельче 0,05 мм (независимо от значения Sг). Крупнообломочные грунты с заполнителем до 10%
Слабопучинистый 0,01 - 0,035 Глинистые при 0 < Il< = Пески пылеватые и мелкие при 0,6 < Sr< = 0,8 Крупнообломочные с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым) от 10 до 30% по массе
                           
Среднепучинистый 0,035- 0,07 Глинистые при 0,25 < IL< = 0,50 Пески пылеватые и мелкие при 0,80 < Sr < = 0,95 Крупнообломочные с заполнителем (глинистым, песком пылеватым и мелким) более 30% по массе
Сильнопучинистый и чрезмерно пучинистый >0,07 Глинистые при I l > 0,50. Пески пылеватые и мелкие при Sr> 0,95
17. Классификация грунтов по температуре t:
Разновидность грунтов   Температура   грунта t, °С
Немерзлый (талый) > = 0
Охлажденный <0
 

 

 

18. Классификация дисперсных грунтов по степени засоленности D sal:

    Степень засоленности грунтов D sal, %<
        Крупнообломочный грунт
          Содержан ие заполнителя в виде суглинка 30% и более Содержан ие заполнителя в в иде суспеси 30% и более
Разновидность Суглино Суспес Песо Содержани е песчаного заполнител я 40% и более
грунтов
  к ь к
       
       
         
    <10 <5 <3 <3 <10 <5
  Слабозасоленный 10-15 5- 8 3-7 - - -
  Среднезасоленный 15-20 8-12 7-10 - - -
  Сильнозасоленный 20-25 12-15 10-15 - - -
  Избыточнозасоленн >25 >15 >15 - - -
 
                   

 

 

1. Классификация грунтов по льдистости за счет видимых ледяных включений i j:
Разновидность грунтов Льдистость за счет видимых ледяных включений I i, д.е.
Скальниые и полускальные грунты   Дисперсные   грунты
Слабольдистый <0,01 <0,20
Льдистый 0,01 - 0,05 0,20 – 0,40
Сильнольдистый >0,05 0,40-0,60
Очень сильнольдистый - 0,60-0,90
2. Классификация грунтов по температурно-прочностным свойствам:
Вид грунтов Разновидности грунтов
Твердомерзлый(ðp <=0,1 кПА-1) При t=Тh ,°С Пластично-мерзлый(ðp>0,1 кПа-1) При t,°С Сыпуче мерзлый При t<0°C
Все виды скальных и полускальных грунтов Тh=0 - -
Крупнообломочный грунт Тh Th<t<Tbf при Sг < 0,8 при S г< = 0,15
Песок гравелистый, крупный и средней крупности Тh=-0,01
Песок мелкий и пылеватый Тh=-0,3 Th<t<Tbf при Sг < 0,8 при S r< = 0,15
Глинистый грунт Супесь Th=- 0,6 Th<t<Tbfbf
Суглинок Th=-1,0
Глина Th=-1,5
Заторфован грунт ный Т h' = -0,7 * (Ir+|Th|) Th,<t<Tbf -
Торф - t<0 -
                 
8. Классификация грунтов по степени засоленности Dsal (для морсного типа засоления – NaCl, Na2SO4 более 90 %)
Разновидность грунтов Суммарное содержание легкорастворимых солей, % массы сухого грунта песок глинистый
грунт
Слабозасоленный 0,05 - 0,10 0,20 - 0,50
Среди езасоленный 0,10 - 0,20 0,50 - 1,00
Сильнозасоленный >0,20 >1,00
4. Классификация грунтов по криогенной текстуре:
Вид грунтов Криогенная текстура
Все виды скальных грунтов Трещинная, пластовая, полостная
Все виды полускальных грунтов Массивная
Глинистые грунты Массивная, слоистая, сетчатая, атакситовая
Все виды органо-минеральных грунтов
Все виды органических грунтов Порфировидная, слоистая, сетчатая, атакситовая
Крупнообломочные грунты Массивная, корковая, базальная
Пески Массивная, слоистая, сетчатая, базальная