1 Грунтоведение Грунтоведение наука изучающая любые

1. Грунтоведение

Грунтоведение – наука, изучающая любые горные породы, почвы и техногенные образования как многокомпонентные, динамичные образования в связи с инженерной деятельностью человека

Грунт – любая горная порода, которую изучают с инженерно-геологической точки зрения в условиях ее естественного залегания с учетом природной обстановки. Предмет грунтоведения – инженерно-геологическое изучение и оценка горных пород Теоретическая задача грунтоведения: • изучение природы и процессов формирования прочности и других инженерно-геологических свойств горных пород в ходе литогенеза. Практические задачи: • выделение на изучаемом участке типов и видов пород с одинаковыми или близкими инженерно-геологическими свойствами; • установление распространения выделенных типов и видов пород в пределах участка; • получение количественной характеристики прочности и других инженерно-геологических свойств пород и их изменчивости применительно к требованиям проектируемого сооружения; • предсказание возможного изменения свойств пород под воздействием проектируемого сооружения; • совместная с инженером-строителем оценка опасности этого изменения для проектируемого сооружения; • рекомендации путей улучшения свойств пород для обеспечения наиболее рационального производства работ по возведению сооружения, его устойчивости и долговечности.

Инженерно-геологические явления видов строительства, возникающие при инженерной деятельности человека

Горные породы как многокомпонентные системы • Твердая компонента – минеральная и органическая часть горных пород • Жидкая компонента – содержащиеся в пустотах пород природные воды • Газообразная компонента – газы в пустотах пород • Живая компонента - микроорганизмы

Влияние минерального состава на свойства грунтов Наибольшее значение имеют: • минералы класса первичных силикатов; • простые соли; • глинистые минералы. + органическое вещество

Классификация гранулометрических элементов

Структурные элементы, слагающие грунты, при неплотном залегании друг к другу образуют промежутки различной величины – поры. Общая пористость пород – суммарный объем всех пор в единице объема породы. 1 – твердые частицы; 2 – пустоты (поры); 3 – вода; V – объем грунта; Vs – суммарный объем твердых частиц; Vn – суммарный объем пустот; Vw – объем воды; Va – объем воздуха; m – масса грунта; ms – масса твердых частиц; mw – масса воды

Плотность твердых частиц грунта ρs – масса единицы объема твердых частиц, уложенных абсолютно плотно, без промежутков и пустот между ними. ρ s=ms / Vs (г/см 3, т/м 3, реже кг/м 3) Плотность грунта ρ – масса единицы объема грунта. ρ=m/V=(ms+mw)/(Vs+Vn) Влажность грунтов W – относительное количество воды, содержащейся в пустотах грунта. W = mw / ms = (m-ms)/ms W = [(m-ms)/ms]*100

•

Типы пор дисперсных грунтов

Вода в грунтах: I. Вода в форме пара II. Связанная вода: • Слабосвязанная вода • Прочносвязанная (гигроскопическая) вода III. Свободная вода • • Гравитационная вода Капиллярная вода IV. Вода в твердом состоянии V. Кристаллизационная и химически связанная вода

Водопроницаемость – способность пропускать через себя воду Фильтрация – способность воды передвигаться в грунтах под действием напора Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси: Количество воды Q, просачивающейся через породу в единицу времени, пропорционально величине падения напора при фильтрации ΔН площади поперечного сечения породы F и обратно пропорционально пути фильтрации L, измеряемой по направлению движения воды. Q = k(ΔН/L)F K – коэффициент фильтрации – является мерой водопроницаемости грунта и равен скорости фильтрации воды при гидравлическом градиенте, равном единице.

Коэффициент фильтрации различных грунтов и характеристика их водопроницаемости

Газы в грунтах Адсорбированный газ – газ, удерживаемый на поверхности сухих твердых частиц силами электростатического притяжения. Количество зависит от: • Минерального состава грунтов; • Их дисперсности; • Содержания органических веществ. Наибольшее количество адсорбированных газов содержится в абсолютно сухих грунтах!!! Защемленный газ в результате выделения из раствора, вытеснения адсорбированного газа пленками воды в сообщающихся порах различного диаметра Свободный газ сообщается с атмосферой и практически представляет собой воздух

Схема защемления газа в грунтах 1 – защемленный газ 2 – твердые частицы 3 – водная пленка 4 – капилляры в виде сообщающихся пор

Органическое вещество В грунтах представляет собой остатки растительного и животного происхождения, которые со временем претерпевают различные стадии разложения, физикохимического преобразования и минерализации • Рассеянное органическое вещество • Локально распространенное органическое вещество • Регионально распространенное органическое вещество

Гуминовые вещества: • • Гуминовые кислоты (ГК) Фульвокислоты (ФК) Гиматомелановые кислоты (ГМК) Гуминовые угли (ГУ)

Структура и текстура грунта, структурные связи первичные Возникают в момент образования грунтов (остывание магмы, перекристаллизация при метаморфических процессах, осадконакопление) вторичные Возникают в последующем под влиянием выветривания, растворения, уплотнения Структурные связи

Виды структурных связей в грунтах: • • Химические Молекулярные (силы Ван-дер-Ваальса) Капиллярные силы Электростатические Магнитные Силы расклинивания Кристаллизационные

Классификация грунтов ГОСТ 25100 -2011 • Класс – по общему характеру структурных связей • Группа – по характеру структурных связей • Подгруппа – по происхождению и условиям образования • Тип – по вещественному составу • Вид – по наименованию грунтов • Разновидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов

I Природные скальные грунты (жесткие структурные связи - кристаллизационные) • магматические: Группа скальных грунтов o интрузивные (перидотиты, дуниты, пироксениты, габбро, нориты, диабазы, диориты, граниты, гранодиориты и т. д. ) Эффузивные (базальты, долериты, вулканогенно-обломочные грунты, обсидианы и т. д. ) o o o Силикатные (гнейсы, сланцы, кварциты) Карбонатные (мраморы, роговики, скарны) Железистые (железные руды) o o Силикатные (песчанники, конгломераты, брекчии, туффиты) Карбонатные (известняки и доломиты) o • метаморфические: • осадочные: • эффузивные: Полускальные грунты o o Силикатные Вулканогенно-обломочные o o o Силикатные (аргиллиты, алевролиты, песчаники) Кремнистые (опоки, трепелы, диатомиты) Карбонатные (мел, известняк, мергель) Сульфатные (гипсы и ангидриты) Галоидные (галит и карналлит) • осадочные:

II Природные дисперсные грунты (механические и водно-коллоидные структурные связи) Группа связных грунтов • осадочные: o Минеральные глинистые грунты силикатного, железистого и полиминеральнго составов o Органоминеральные (илы, сапропели, заторфованные грунты) o Органические (торф) Группа несвязных грунты • осадочные: o Минеральные пески и крупнообломочные грунты силикатного, карбонатного, железистого и полиминерального типов

III Природные мерзлые грунты (криогенные структурные связи) • Скальные и полускальные грунты, находящиеся в промерзшем состоянии, а также льды III Техногенные грунты • Грунты первых трех классов природных образований, измененные в условиях естественного залегания физическим или физикохимическим воздействием, а также природные перемешанные и антропогенные образования (насыпные и намывные грунты)

Свойства грунтов. Физические свойства грунтов: • Теплофизические свойства (тепловой режим толщи грунтов) • Электрические свойства (способность грунтов проводить и поглощать электрический ток) • Магнитные свойства

Физико-химические свойства: • Коррозионные (процесс разрушения материалов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия) • Электрокинетические (электроосмос, электрофорез) • Диффузные и осмотические • Адсорбционные (поглотительная способность почв)

Водные свойства: Водоустойчивость – способность грунтов сохранять свою структуру и прочность при многократном изменении режима водонасыщения. Размягчаемость – способность грунтов снижать свою прочность после насыщения водой.

Влагоемкость грунтов – способность поглощать и удерживать определенное количество воды. Различают: • Влагоемкие породы (глины, суглинки) • Средневлагоемкие (супеси, пески мелко- и тонкозернистые) • Невлагоемкие (пески средне-, крупно- и грубозернистые, гравелистые, щебенистые грунты, скальные грунты)

Влагоемкость скальных грунтов (Wп / Wн) Водопоглощение (Wп) – способность грунта впитывать воду в обычных условиях (атмосферное давление, комнатная температура). Водонасыщение (Wн) – способность породы впитывать максимальное количество воды (способность поглощать воду при особых условиях – при повышенном давлении или кипячении). W = (mв – mо) / mо mв – mо – масса поглощенной воды mо – масса абсолютно сухой породы

Влагоемкость глинистых грунтов Полная влагоемкость – полное насыщение грунта водой (заполнение всех пор). Молекулярная влагоемкость (Wмг) – способность грунта удерживать определенное количество физически связанной воды. Капиллярная влагоемкость – заполнение капиллярных пор водой.

• Липкость изучают для определения условия работы ковшей, дорожных машин, при производстве вскрышных работ • Пластичность грунта – способность под воздействием внешних условий изменять форму без разрыва сплошности и сохранять эту форму после того, как действие внешней силы устранено. Число пластичности – диапазон влажности, в котором грунт обладает пластичными свойствами. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт. I p = WL – Wp Wp - влажность на границе раскатывания – нижний предел пластичности WL – влажность на границе текучести – верхний предел пластичности

Просадочность грунтов – способность резко уменьшаться в объеме при увлажнении под нагрузкой. Просадочность одновременно является и физико-механическим свойством! εSL = (h’ – h’’) / h 0 εSL - относительная просадка (см/см, %); h 0 - высота образца грунта природной влажности; h’ – высота образца, уплотненного давлением Р, равным природному давлению или весу сооружения; h’’ – высота образца, уплотненного давлением Р после его полного водонасыщения. К просадочным грунтам относят грунты, которые при увлажнении под нагрузкой имеют просадочность εSL >= 0, 01.

Схема просадки грунтов в результате увлажнения

Набухаемость – способность грунтов увеличиваться в объеме при увлажнении. Является и физико-механическим свойством! εSW = 100 (hsat – h 0) / h 0 εSW – относительное набухание (мм/мм, %); hsat – высота образца после его полного набухания в результате увлажнения (как правило, до полного водонасыщения в условиях невозможности бокового расширения); h 0 - высота образца природной влажности. К набухающим относят грунты, которые при увлажнении имеют εSW > 4%.

Схема набухания грунтов 1 – твердые частицы; 2 – прочносвязанная вода; 3 – рыхлосвязанная вода

При уменьшении влажности набухающих грунтов происходит обратное явление – уменьшение объема грунта – усадка. Усадка не зеркальное отображение процесса набухания, сопровождается перераспределением структурных связей и образованием трещин. εsh = 100 (h 0 – hd) / h 0 εsh - относительная усадка (мм/мм, %); h 0 – высота образца до уменьшения влажности; hd – высота образца после уменьшения влажности.

Плывуны – грунты, способные приобретать свойства вязкой жидкости (течь и терять устойчивое состояние при устройстве в них выемок, под фундаментами сооружений. Тиксотропность грунтов – их способность под влиянием встряхивания, вибрации, ультразвука или другого какого-либо воздействия разжижаться, переходить в плывунное состояние и полностью терять свою прочность, но после прекращения воздействия возвращаться в свое первоначальное состояние.

Размокаемость грунтов – их способность терять структурную связность и прочность, распадаться на отдельные структурные элементы, т. е. рассыпаться или расплываться в воде. Растворимость грунтов – их способность растворяться в природной воде.

Пучинистость грунтов – их способность увеличиваться в объеме при промерзании. 1 – фундамент сооружения; 2 – подошва промерзающего слоя; 3 – направление миграции влаги; 4 – зоны кристаллизации льда

Физико-механические свойства грунтов Деформационные свойства грунта характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические, т. е. не приводящими к его разрушению. Показатели: • модуль деформации; • коэффициент Пуассона; • коэффициент сжимаемости и консолидации; • модуль сдвига и объемного сжатия.

Испытание образца на сжатие

Установка компрессионного сжатия (одометр)

Угол наклона прямой характеризует сжимаемость грунта, а tg α принимают за коэффициент сжимаемости m 0: tg α = m 0 = (e 1 – e 2) / (p 2 – p 1) e 1 и e 2 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям p 1 и p 2 р1 – природное давление в середине слоя грунта р2 - полное давление на той же глубине (природное + дополнительное) Коэффициент относительной сжимаемости: mν = m 0 / (1 + eн) ен - коэффициент пористости грунта, соответствующих нормальному давлению (ен = е 0 )

Модуль деформации Е – коэффициент пропорциональности между напряжениями и общими деформациями грунтов: Е = β (1 + ен) / m 0 = β / mν β = 1 – 2ν 2 / (1 - ν 2) (безразмерный коэффициент) ν – коэффициент Пуассона, характеризует способность породы к изменению объема в процессе деформации под действием напряжений

Испытания грунтов штампом

Схема испытания грунта статической нагрузкой

E = ω (1 – n 2)dΔp / Δs d – диаметр штампа; Δp – приращение давления на штамп; Δs – приращение осадки; ω – безразмерный коэффициент, зависящий от жесткости и формы подошвы штампа mν = Δs/hэ Δp Δs – приращение конечной осадки, соответствующее принятому интервалу давления; hэ – мощность слоя;

Числовые значения коэффициента сжимаемости позволяют судить о сжимаемости грунтов: • m 0 > n*1 МПа-1 - грунт сильносжимаемый • m 0 > n*0, 1 МПа-1 - грунт среднесжимаемый • m 0 > n*0, 01 МПа-1 - грунт малосжимаемый

Реологические свойства Если время действия силы на грунт превышает время релаксации, то в грунте возникают необратимые деформации ползучести и течения. Время релаксации – промежуток времени, в течение которого напряжение , после прекращения действия силы, уменьшается на определенную величину. Т. е. характер сопротивления грунта внешним силам зависит от скорости приложения этих сил. При быстром возрастании нагрузки сопротивление грунта будет наибольшим – в нем будут преобладать упругие деформации, при медленном возрастании внешних сил сопротивление грунта будет меньшим – он будет проявлять свойства ползучести и текучести.

Прочностные свойства характеризуют поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критическими. Образцы подвергаются сжатию до разрушения. Для определения прочности часто пользуются испытанием на одноосное сжатие (раздавливание в условиях свободного бокового расширения). σсж = Рразд / F Рразд – усилие раздавливания при определенной высоте образца Н, кг; F – площадь поперечного сечения образца.

Сопротивление грунта сдвигу

τ = σtgφ + c σ – действующее нормальное давление; φ – угол внутреннего трения; с – удельная сила сцепления в глинистых грунтах или параметр линейности в крупнообломочных и песчаных грунтах.