Механика грунтов

    В осадочных нескальных грунтах с  течением времени под влиянием уплотнения от массы перекрывающей их толщи  могут произойти процессы удаления избыточной воды, кристаллизации коллоидных и химических осажденных веществ, сопровождающиеся резким усилением цементационных связей и литификаций (окаменением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные грунты: крупнообломочные - в конгломераты, брекчии; песчаные – в песчинки; пылевато-глинистые – в алевролиты и аргиллиты. 
 

    3.  Физические характеристики, классификация грунтов,  строение оснований. 

    3.1  Основные физические характеристики  грунтов.

    Значение  характеристик. Оценка каждой конкретной разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Разнообразие состава, строения и состояния грунтов делает неизбежным введение значительного числа таких характеристик. Некоторые из них непосредственно применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, совокупность ряда характеристик используется для классификации грунтов. Количественные показатели одних характеристик всегда определяются опытами, чаще всего с образцами грунта, других – расчетом по значениям определенных опытом показателей.

    Соответствие  полученных таким образом характеристик  состоянию грунта, залегающего в основании или составляющего тело сооружения, является одним из важнейших условий точности инженерных прогнозов. Поэтому отбор образцов для определения характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспортировка образцов производится так, чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных условиях залегания или в теле грунтового сооружения.

    Характеристики  плотности, влажности  и пористости грунта.

    Плотность грунта – отношение массы грунта к его объему:

    ρ=  M/V

    Влажность грунта – отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах:

    w = m2/m1 = (M – m1)/m1

    Плотность частиц грунта определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему:

                                                        ρˢ = m1/V1

    3.2  Классификация грунтов. 

    Все грунты по характеру структурных  связей подразделяются на два класса: скальные и нескальные грунты. В  пределах каждого класса грунты разделяются на группы по происхождению (магматические, метаморфические. Осадочные сцементированные, искусственные – для скальных грунтов; осадочные несцементированные и искусственные – для нескальных грунтов). Каждая группа подразделяется по условиям образования на подгруппы. Например, магматические грунты разделяются на глубинные и илившиеся; осадочные сцементированные – на обломочные, биохимические и химические. Среди несцементированных грунтов выделяются крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, биогенные, почвы и т.п. Дальнейшее подразделение производится по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени его неоднородности, числу пластичности – на типы грунтов: (например, песок гравелистый, песок крупный и т.п. – для песчаных грунтов; супесь, суглинок, глина – для глинистых грунтов и т.п.). В пределах каждого типа по структуре и текстуре, а иногда по составу примесей грунты разделяются на виды (например, для песка крупного – плотный, средней плотности, рыхлый; для супеси, суглинка и глины – щебенистые, дресвяные, без примеси органики, с примесью органики и т.д.). И наконец. В пределах каждого вида по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию выделяются разновидности грунтов (например, песок крупный, влажный или насыщенный водой, засоленный и т.п.; суглинок щебенистый, тугопластичный и т.п.).

    Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности  производится с помощью рассмотренных  характеристик грунтов. Во многих случаях обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его строительных свойств, используемые в предварительных расчетах. В хорошо изученных районах найденные путем классификации показатели часто оказываются достаточными для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений.

    Полная  классификация грунтов приведена  в ГОСТ 25100-82. Классификация первых двух групп грунтов приведена в табл. 1.2. 

    Таблица 1.2. Типы крупнообломочных и песчаных грунтов. 

    Содержание  глинистых частиц в крупнообломочных и песчаных грунтах обычно не превышает 3%. Пылевато-глинистые грунты в зависимости от содержания в них глинистых частиц подразделяются на супеси – 3…10%, суглинки – 10…30%, глины – более 30%. 

    3.3 О связи физических и механических характеристик грунтов. 

          Классификация грунтов  позволяет не только определить данный грунт, т.е. выделить его среди многообразия других грунтов, но и часто установить ориентировочные значения его прочностных и деформационных характеристик.

    Действительно, прочность и деформируемость  грунтов непосредственно связаны  с их физическими свойствами и  состоянием. Например, увеличение пористости песчаного и пылевато-глинистого грунта (увеличение коэффициента пористости) при прочих равных условиях непременно влечет за собой снижение его прочности и повышения деформируемости. Соответственно увеличение влажности (показателя консистенции) глинистого грунта, также при прочих равных условиях, приведет к снижению его прочности и повышению дефомируемости. Следовательно, установление связей между физическими и механическими характеристиками грунтов в определенных условиях правомочно.

    Так, в частности, основываясь на обобщении  огромного количества испытаний, СНиП 2.02.01-83 допускает для предварительных  расчетов оснований, а также для  окончательных расчетов оснований  зданий и сооружений II  и  III классов и опор возводимых линий электропередачи и связи независимо от их класса определять нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов по их физическим характеристикам. С этой целью в СНиПе приводятся таблицы нормативных значений прочностных и деформационных характеристик некоторых разновидностей песчаных и пылевато-глинистых грунтов и значения соответствующих коэффициентов надежности по грунту.

    Важной  характеристикой несущей способности  является р а с ч е т н  о е  с о п р о т и  в л е н и е  грунтов основания Rₒ (кПа), ориентировочно допустимое давление на данный грунт под подошвой фундамента, имеющего ширину 1 м и глубину заложения 2м.

    СНиП 2.02.01 – 83 допускает назначать предварительные  размеры фундаментов исходя из этой величины. Кроме того, значение величины Rₒ для различных слоев при сложном напластовании позволяет на ранней стадии изысканий, определив только физические характеристики грунтов, провести приблизительную сопоставительную оценку их несущей способности.  
 

    3.4  Геологическое строение оснований. 

    Сооружение  редко располагается на каком-либо одном грунте. Обычно в основании  оказывается несколько типов  грунтов. Тогда кроме оценки свойств  каждого грунта возникает не менее  важная задача – схематизация геологического строения основания, т.е. выделение внутренне однородных объемов разных грунтов и проведение границ между ними.

    По  предложению Н. В. Коломенского однородные части в геологической среде называют  и н ж е н е р н о – г е о л о г и ч е с к и м и э л е м е н т а м и. Однородность элемента рассматривается как статистическое понятие, т.е. принимается, что характеристики грунта в его границах изменяются случайно, причем величина изменения этих характеристик не должна превышать определенных пределов. Обычно, выделение инженерно-геологических элементов основания производится по данным анализа характеристик физико-механических свойств грунтов. Тогда приведенные выше понятия нормативных и расчетных характеристик в среднем определяют свойства грунта в границах выделенного инженерно-геологического элемента.

    Практически при проведении границ между инженерно-геологическими элементами сначала строят геологическую гипотезу о расчленении грунтовой толщи. При этом, во-первых, проводят границы между грунтами разного происхождении. Во-вторых, между грунтами различного наименования внутри каждого возрастного комплекса и, в-третьих, между грунтами различного состояния. Схематизация геологического строения основания является сложной геологической задачей, от правильного решения которой во многом зависит достоверность последующих расчетов, а следовательно, и судьба сооружения. 

    Форма и размеры геологических  тел в основании  сооружений. Инженеро-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела. Самой распространенной формой залегания осадочных горных пород, т.е. всех нескальных и скальных грунтов, является слой. С л о е м  называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей. Расстояние между этими поверхностями называют мощностью слоя. Внутри слоя залегает грунт одного наименования, но не обязательно одного строения. Например, часть слоя суглинка может находиться в мерзлом, часть- в талом или маловлажном состоянии и т.п. Положение границы между грунтами различного состояния может меняться со временем в естественных условиях и тем более после освоения территории. Границы же слоев значительно более устойчивы. Хотя выветривание и некоторые техногенные воздействия на грунты способны изменить их состав настолько, что с течением времени изменяется наименование грунта, а с ним и положение границы слоя.

    Слой  скальных грунтов, подстилающий толщу  нескальных в строительной практике часто называют  к о р е  н н о й  п о р о д  о й.

    Л и н з о й  называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой поверхностью.

    В определениях слоя и линзы использовалось понятие «рассматриваемой области». Можно следующим образом определить это понятие. Если известно пятно застройки сооружения, то рассматриваемой областью будет, по существу, основание этого сооружения, т.е. та часть массива, в которой под влиянием нагрузок от сооружения происходят деформации грунта. Поскольку инженерно-геологическая модель массива грунта часто строится до выбора конкретного места для сооружения, рассматриваемой областью будет являться вся часть слоистой толщи или массива, попадающая на геологический разрез. Тогда слоем будет геологическое тело, границы которого пересекают вертикальные границы разреза; линзой – геологическое тело, замкнутое внутри разреза.

    Если  геологическое тело входит с одной  стороны в разрез и заканчивается  в нем, говорят, что имеет место  в ы к л и в а н и  е  с л о я.

    Мощности  слоев и линз могут быть невелики (несколько дециметров), но могут быть и значительны. Обычно мощность слоев и линз изменяется в пределах метров, но иногда достигает 10 и даже 30 м. Однородные слои мощностью более указанных значений встречаются крайне редко. Мощность слоя в таких случаях на разрезе может быть показана лишь частично. В расчетной схеме такой мощный слой обычно рассматривается как полупространство.

    Слои  мощность менее 0,5 м, как правило, не выделяются. Их необходимо выделять только в тех случаях, когда такой  маломощный слой сложен породой с резко отличными инженерно-геологическими свойствами. Например, выделяется песчаный водопроводящий слой суглинка или слой слабого глинистого грунта среди водонасыщенных песков и т.п. В подобных случаях в инженерно-геологической модели показывают даже совсем тонкие слои, которые не могут быть изображены в масштабе разреза.

    Очень тонкое однородное геологическое тело, ограниченное двумя непересекающимися  поверхностями, называют  п р о  с л о е м.

    В расчетной схеме прослой часто  моделируют поверхностью, в простейшем случае – плоскостью. Правильное изображение прослоев имеет исключительно большое значение. Например, при прогнозе устойчивости склонов и при расчете фильтрации.