ГРУНТОВЕДЕНИЕ Лекции для студентов 1 Закон ГРУНТОВЕДЕНИЯ

ГРУНТОВЕДЕНИЕ Лекции для студентов 1

Закон ГРУНТОВЕДЕНИЯ – закон Приклонского – Сергеева Ломтадзе: Состав, строение, состояние и свойства грунтов определяются их генезисом, характером постгенетических процессов и современным пространственным положением. В. Т. Трофимов 1999 г. 2

Введение Грунтоведение - это научное направление инженерной геологии, исследующее состав, состояние, строение и свойства грунтов и сложенных ими грунтовых толщ (тел и массивов), закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием современных и прогнозируемых геологических процессов, формирующихся в ходе развития земной коры под влиянием совокупности всех природных факторов и в связи с инженернохозяйственной, прежде всего инженерно-строительной деятельностью человечества. 3

Объект изучения - грунты и сложенные ими грунтовые толщи. Предмет - знания о грунтах, их составе, строении, состоянии и свойствах. Грунт - специальный инженерногеологический термин. Под ГРУНТОМ понимают любые ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ПОЧВЫ, ОСАДКИ И АНТРОПОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, рассматриваемые как МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ДИНАМИЧНЫЕ системы, исследуемые в связи с планируемой, осуществляемой и осуществленной инженерной деятельностью человека. 4

Горные породы (Геологический словарь. 1978 г. ) – это ЕСТЕСТВЕННЫЕ минеральные агрегаты определённого состава и строения, сформировавшиеся в результате в геологических корезалегающие земнойвпроцессов и виде самостоятельных тел. Различают три генетических типа: ОСАДОЧНЫЕ, МАГМАТИЧЕСКИЕ И МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ. СКАЛЬНЫХ пород нет, есть СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ. Почва - это ОСОБОЕ природное образование, обладающее некоторыми свойствами, присущими живой и неживой природе, и возникающее в результате ПРЕОБРАЗОВАНИЯ поверхностных слоёв ЛИТОСФЕРЫ под совместным воздействием ВОДЫ, ВОЗДУХА И ОРГАНИЗМОВ. 5

«Классификация грунтов» Классификации в «признаковом пространстве» (по показателям свойств грунтов): ЧАСТНЫЕ – логические построения, подразделяющие множество грунтов по одному или нескольким конкретным количественным для состава и свойств грунтов признакам (по консистенции, числу пластичности, гранулометрическому составу и т. п. ); ОТРАСЛЕВЫЕ – это частные классификации, но разработаны применительно к задачам и требованиям определенного, конкретного вида инженернохозяйственной деятельности человека (для дорожного, гидротехнического и других видов строительства); РЕГИОНАЛЬНЫЕ систематизируют знания о грунтах, развитых на той или иной территории; ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ рассматривает полное множество грунтов и систематизирует их в определенную логическую иерархическую систему. 6

Классификация Ф. П. Саваренского (1937 г. ) 7

Общая классификация грунтов ГОСТ 25100 -95 Включает следующие таксономические единицы. КЛАСС – по общему характеру структурных связей: - класс природных скальных грунтов – грунты с жесткими структурными связями; - класс природных дисперсных грунтов – грунты с водноколлоидными и механическими структурными связями; - класс природных мерзлых грунтов – грунты с криогенными структурными связями; - класс природных техногенных грунтов – грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека. ГРУППА – по характеру структурных связей с учетом прочности. ПОДГРУППА – по происхождению и условиям образования. ТИП – по вещественному составу. ВИД – по наименованию грунтов. РАЗНОВИДНОСТЬ – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов. 8

Класс природных скальных грунтов группа п од гр у п па скальные метаморфические магматические эффузивные в ид (мрамор, сланцы, кварциты и др. ) (базальты и др. ) полускальные осадочные (граниты и др. ) Выделяются разновидности по: - пределу прочности; - плотности скелета; - коэффициенту выветрелости; - коэффициенту размягчаемости; - водопроницаемости; - растворимости; - засоленности; - структуре; - текстуре; - температуре. осадочные (вулканогеннообломочные) интрузивные эффузивные (песчаники, аргиллиты) (песчаники, известняки и др. ) 9

Класс природных мерзлых грунтов группа п о д г р у п п а т и п скальные ин т ру з ив н ые э ф ф у з ив н ые ме т а м ор ф ич е с ки е ледяные минеральные полускальные о с а до чн ы е эф ф у з ив н ые ледяные минеральные Разновидности выделяют по: - льдистости; - температурно-прочностным свойствам; - степени засоленности; - криогенной текстуре связные ледяные осадочные л е д я н ы е м и н е р а л ь н ы е л е д я н ы е о р г а н о м и н е р а л ь н ы е л е д я н ы е о р г а н и ч е с к и е вн у т ри г ру н т о в ые по г р е б е нн ые п е щ е рн о ж ил ь н ые льды 10

Класс природных дисперсных грунтов связные осадочные минеральные глинистые (глины, суглинки, супеси) группа подгруппа органо-минеральные ил сапропель органические заторфованные грунты торф несвязные осадочные минеральные тип вид пески крупнообломочные грунты Выделяют разновидности: по: гранулометрическому составу; - числу пластичности; - показателю текучести; - относительной деформации набухания; - относ. деформации просадочности; - относ. содержанию орг. вещества; - степени засоленности; - относительной деформации пучения; - температуре по: - степени разложения; - степени зольности по: - гранулометрическому составу; - неоднородности; - коэффициенту водонасыщенности; - коэф. пористости; - степени плотности; - содержанию орг. в-в по: - коэффициенту водонасыщенности; - коэффициенту выветрелости; - коэффициенту истирания 11

Класс техногенных грунтов скальные класс дисперсные мерзлые группа скальные п о д г ру п па полускальные измененные в условиях естественного залегания связные несвязные измененные в условиях естественного залегания антропогенные Типы, виды и разновидности выделяются как в природных грунтах с учетом специфических особенностей. перемещенные с к а л ь н ы е п о л у с к а л ь н ы е измененные в условиях естественного залегания с в я з н ы е н е с в я з н ы е л е д я н ы е в условиях естественного залегания, перемещенные, антропогенные 12

Состав грунта. Минеральный состав. Грунт система многокомпонентная. Составляющие компонента: - твердый компонент (табл. 2. 1, рис. 1); - жидкий компонент (табл. 2. 2); - газовый компонент (табл. 2. 3); - биотический компонент (табл. 2. 4) 13

Таблица 2. 1 14

а б в Рис. 1. Схема расположения слоев в кристаллической решетке глинистых минералов (по Г. В. Бриндли). а — каолинит; б — гидрослюда; в — монтмориллонит. Индексы А 1, Si и Al, Mg у знаков обозначают замещение Si 4+ на А 13+ и А 13+ на Mg 2 +. 15

Таблица 2. 2 16

Газовый компонент КИСЛОРОД УГЛЕМЕТАН КИСЛЫЙ ГАЗ ВОДЯНОЙ ГЕЛИЙ ПАР Вызывает окисле -ние Увеличивает агрессивность подземных вод и способствует растворению, участвует в восстановительных процессах Увеличивает водопроницаемость и повышает поровое давление Изменчив, подвижен, способствует капиллярной связности ТЯЖЕЛЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Показатель тектонических разло-мов Показатель залежей нефти Таблица 2. 3 ЗАЩЕМЛЕННЫЙ В ЗАКРЫТЫХ ПОРАХ ГАЗ ЗАЩЕМЛЕННЫЙ АДСОРБИРОВАН НЫЙ ГАЗ РАСТВОРЕН -НЫЙ Может накапливаться в насыпях и создавать большие давления. Может прорываться и разрушать эти насыпи Обусловливает очень длительную осадку грунтов и уменьшает водопроницаемость Оказывает активное влияние на изменение свойств грунтов ГАЗ 17

Биотический компонент Высшие растения Макроорганизмы Отмершие остатки, корневые волоски Черви, мыши – способствуют разрыхлению почвы, снижению прочности, проявлению гравитационных процессов на склонах Таблица 2. 4 Микроорганизмы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Вызывают разрушение минералов, превращение одних минералов в другие Выводят из строя дренажные системы Образуют агрегаты частиц грунта (укрупняют) Изменяют механическую прочность (цементируют или уменьшают) Изменяют пористость (увеличивают или уменьшают) Соответственно пористости изменяется водопроницаемость Превращают воду и грунт в агрессивные Приводят к загазованности Способствую образованию «истинных» плывунов 18

Гранулометрический состав характеризует количественное соотношение различных фракций в дисперсных породах Фракция – группа частиц близких по размеру (табл. 3. 1) 19

Классификация структурных элементов твердого компонента грунта по Таблица 3. 1 размеру Слагающие элементы Размеры слагающих элементов, мм Классы Фракции Валуны и камни Крупные Средние Мелкие >800 400 -800 200 -400 Галька и щебень Крупные Средние Мелкие 100 -200 60 -100 40 -60 Гравий и дресва Очень крупные Крупные Средние Мелкие 20 -40 10 -20 4 -2 2 -4 Песчаные частицы Грубые Крупные средние мелкие Тонкие 1 -2 0, 5 -1 0, 25 -0, 5 0, 10 -0, 25 0, 05 -0, 10 Пылеватые частицы Крупные Мелкие 0, 001 -0, 05 0, 001 -0, 01 <0, 001 Глинистые частицы 20

Классификация дисперсных грунтов по гранулометрическому составу (по В. В. Охотину) Таблица 3. 2 Содержание частиц мм, % Грунт Глинис тых <0, 005 Глина тяжелая Глина пылеватая Суглинок тяжелый пылеватый Суглинок средний пылеватый Суглинок легкий пылеватый Супесь тяжелая пылеватая Супесь легкая пылеватая Песок Пылеватых 0, 005 -0, 05 Песчаных 0, 005 -2, 0 Гравийн ых >2, 0 >60 30 -60 20 -30 Не регламентируется Больше, чем песчаных - Не регламентируется Больше, чем пылеватых Менее 10 20 -30 15 -20 Больше, чем песчаных - Больше, чем пылеватых Менее 10 15 -20 10 -15 Больше, чем песчаных - Больше, чем пылеватых Менее 10 10 -15 6 -10 Больше, чем песчаных - Больше, чем пылеватых Менее 10 6 -10 3 -6 Больше, чем песчаных - Больше, чем пылеватых Менее 10 3 -6 <3 Больше, чем песчаных - Больше, чем пылеватых Менее 10 21

Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу Наименование пород Крупнообломочные Грунт щебенистый (при преобладании окатанных частиц – галечниковый) Грунт дресвяный (при преобладании окатанных частиц – гравийный) Песчаные Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый Таблица 3. 3 Распределение частиц по крупности в % от веса сухой породы Масса частиц крупнее 10 мм составляет более 50 % Масса частиц крупнее 2 мм составляет более 25 % Масса частиц крупнее 0, 5 мм составляет более 50 % Масса частиц крупнее 0, 25 мм составляет более 50 % Масса частиц крупнее 0, 1 мм составляет более 75 % Масса частиц крупнее 0, 1 мм составляет менее 75% 22

Рис. 3. 1. Суммарная кривая гранулометрического состава 23

Cv – коэффициент неоднородности d 60 Cv = —— d 10 d 60 – диаметр шестидесяти (размер частиц, соответствующий ординате 60% на суммарной кривой); d 10 – действующий или эффективный диаметр (размер частиц, соответствующий ординате 10% на суммарной кривой) По степени неоднородности грунты делятся на: - однородные при Cv < 3; - неоднородные Cv > 3 24

Рис. 3. 2. Диаграмма-треугольник гранулометрического состава 25

Влияние различных факторов на свойства грунтов 26

Свойства грунтов Влажность характеризует количественное содержание жидкого компонента в грунте Объемная влажность Vw Wn = ——— ; %, д. ед. Vгрунта Изменяется от 0 до 100 % Весовая влажность mw W = —— ; %, д. ед. mтв. ч. Изменяется от 0 до 2000 % Wn*ρw = W*ρd Степень влажности Vw W*ρd S = ——— Vn e* ρw Изменяется от 0 до 1. 0 27

Естественная влажность – это влажность грунта в его естественном залегании. Максимальная гигроскопическая влажность характеризует общее количество адсорбированной (прочносвязанной) воды – это влажность сухого грунта. Максимальная молекулярная влажность характеризует общее содержание прочносвязанной капиллярной и части осмотической воды. Капиллярная влажность характеризует количество воды, заполняющей все капиллярные поры (присутствует и прочносвязанная вода). 28

Плотность – физическое свойство грунтов, количественно оцениваемое величиной отношения их массы к занимаемому объему. m ρ = — , кг/м 3 ; г/см 3 V Характеристики плотности 1. Плотность твердых частиц – это масса единицы их объема. mчастиц ρs = ——— Vчастиц Зависит от: кислых 2, 63 -2, 75 г/см 3); - наличия водорастворимых солей; - гранулометрического состава (пески – 2, 65 г/см 3, супеси 2, 68 г/см 3, суглинка 2, 70 г/см 3, глины 2, 74 г/см 3) (по Д. Е. Польшину, 1948 г. ) 29

2. Плотность грунта в естественном залегании – это масса единицы объема грунта с естественной влажностью и природным сложением. m ρ=— V Зависит от: - минерального состава; - органических веществ; - влажности; - пористости У дисперсных грунтов плотность колеблется от 1, 30 до 2, 20 г/см 3, у магматических пород от 2, 50 до 3, 40 г/см 3, у метаморфических от 2, 10 до 2, 65 г/см 3. 3. Плотность скелета грунта – это масса твердой компоненты в единице объема грунта при естественной структуре. ρ ρd = ——— 1+W Зависит от : - минерального состава; - органических веществ; - пористости. 30

4. Плотность скелета высушенного грунта – это масса единицы объема грунта, высушенного при t = 105 0 С. Использование показателей плотности – для расчета пористости (n), коэффициента пористости (е), коэффициента плотности песков (D), коэффициента уплотняемости песка (F). ρs - ρ d n = ——— ; % ρs ρs - ρ d e = ——— ; д. ед. ρd e n n = ——— , e = ——— 1+e 100 – n ep – e ep - eпл D = ——— , F = ——— , где ep – eпл е – при естественном сложении; ep – при рыхлом сложении; eпл – при плотном сложении. 31

Классификация песков по е и D Пески Сложение песков плотные Гравелистые, крупные и средней крупности Мелкие Пылеватые средней плотности рыхлые е ≤ 0, 55 ≤ е < 0, 70 е > 0, 70 е ≤ 0, 60 ≤ е < 0, 75 0, 60 ≤ е < 0, 80 е > 0, 75 е > 0, 80 Пески рыхлые, если D ≤ 0, 33 Пески средние, если 0, 34 ≤ D ≤ 0, 66 Пески плотные, если D > 0, 66 32

Пластичность Под пластичностью грунтов понимается его способность под воздействием внешних сил изменять свою форму без разрыва сплошности и сохранять приданную форму после прекращения этого воздействия. Физическое состояние пластичности или непластичности называют консистенцией (степень подвижности, деформируемости грунта при определенной влажности). Факторы, влияющие на пластичность: - гранулометрический состав (< 0, 005 мм); - минеральный состав (глинистые минералы); - включения; - состав обменных катионов (Li > Na > K > Mg > Ca > H > Al > Fe); - состав и концентрация водного раствора. Фактор, влияющий на консистенцию: - влажность 33

Показатели пластичности 1. Пределы пластичности: Wр– влажность, при превышении которой грунт переходит из твердого состояния в пластичное (нижний предел); WL – влажность, при превышении которой грунт переходит из пластичного состояния в текучий (верхний предел). 2. Число пластичности Iр = WL – Wр , %, д. ед. 3. Показатель текучести (консистенции) Wе – Wр IL = ——— , д. ед. Iр 34

Практическое использование 1. Как классификационный показатель: а) по числу пластичности определяют название грунта глина – Iр > 17 % суглинок - 7 < Iр < 17 % супесь – Iр < 7 % б) по показателю текучести глины, суглинки IL < 0 твердые 0 – 0, 25 полутвердые 0, 25 – 0, 50 тугопластичные 0, 50 – 0, 75 мягкопластичные 0, 75 – 1, 0 текучепластичные IL > 1, 0 текучие 2. Для ориентировочной оценки прочности; 3. Для предварительной оценки некоторых свойств. супеси твердые IL < 0 пластичные 0 < IL < 1 текучие IL > 1 35

Набухаемость – способность грунта увеличиваться в объеме при взаимодействии с водой. . Показатели набухаемости: Абсолютная деформация Δhsw = h 1 – h 0 , мм Относительная деформация Δhsw εsw = ——— Грунт набухаем при εsw > 0, 04 или ниже h 0 Давление набухания (Psw) Влажность свободного набухания Wsw Факторы, влияющие на набухаемость: 1. Гранулометрический состав (< 0, 005). 2. Минеральный состав (глинистые минералы). 3. Плотность. 4. Влажность (S < 0, 8). 5. Структурные связи. 6. Состав обменных катионов (Li > Na > K > Mg > Ca > H > Al > Fe). 7. Сложение пород (анизотропность, слоистость). 8. Включения (гумус). 9. Состав и концентрация воды. 10. Нагрузка на грунт. 36

Просадочность – способность грунта уменьшаться в объеме при взаимодействии с водой. Показатели просадочности: Абсолютная деформация Δhsl = h 0 - h 1 , мм Относительная деформация Δhsl εsl = ——— h 0 (Грунт просадочный, при εsl > 0, 01). Начальное просадочное давление (Psl) Начальная просадочная влажность (Wsl) Факторы, влияющие на просадочность: - гранулометрический состав (0, 05 – 0, 005 мм); - плотность; - влажность (S < 0, 8); Компрессионная кривая просадочного грунта: - структурные связи; - включения (соли); - давление на грунт; - состав и концентрация воды. 37

Усадочность - способность грунта уменьшать свой объём в процессе дегидратации. Показатели: - абсолютная линейная усадочность Δhsh=h 0 -h 1, мм; - относительная линейная усадочность εsh=Δhsh/h 0 ; - относительно объёмная усадочность вsh=ΔV/V 0 ; - влажность на пределе усадки – Wsh ; - коэффициент усадки β=bsh/(ΔW-bsw. W 0). 38

Стадии усадки I II V IV III I - стадия структурной усадки (осушение крупных пор); II - стадия нормальной усадки (испарение воды с уменьшением V); III - стадия нелинейной усадки (испарение воды с небольшим изменением объёма); IV - безусадочная стадия (уменьшение количества воды без изменения V); V - стадия остаточной усадочности. 39

Факторы, влияющие на усадку: - минеральный состав (глинистые минералы); - структурные связи (малопрочные коагуляционные связи); - влажность; - плотность, - состав и концентрация порового раствора, - обменные катионы, - внешнее давление, - температура, - цикличность увлажнения-высушивания. 40

Липкость - это способность грунта, при определённом содержании воды, прилипать к различным предметам. Показатели: Липкость τ = Р/F, г/см 2 1. Максимальная липкость, г/см 2 (Н/см 2). 2. Начальная влажность прилипания (Wн). 3. Максимальная влажность прилипания (Wmax). max Wн Wmax W, % 41

Факторы, влияющие на липкость: 1. Влажность (проявляется при W>Wp). 2. Гранулометрический состав (у частиц d < 0, 001 равна 1170 г/см 2). 3. Минеральный состав (монтмориллонит > каолинита в 5 раз). 4. Состав обменных катионов (Li > Na………. ). 5. Наличие органического вещества. 6. Структура грунта. 7. Состав и концентрация раствора. 8. Внешнее давление. 9. Время действия нагрузки. 10. Предмет прилипания (глины сильнее - к дереву, меньше - к железу, песчаные и торф больше - к металлу). 11. Максимальная липкость в дистиллированной воде. 12. Температура. г/см 2 1. 0 МПа 0. 3 МПа 0. 1 МПа W 42

Водопрочность - способность грунтов сохранять свою механическую устойчивость в водной среде. прочность и Показатели: 1. Размокаемость - способность грунтов терять свою связность и превращаться в рыхлую массу с полной потерей прочности в спокойной воде. Определяют: время размокания и характер размокания. 43

44

Факторы, влияющие на размокание: - структурные связи и цемент; - наличие водорастворимых солей; - состав обменных катионов (Li, Na, K сначала набухают в глинах, а затем расплываются, глины с Mg и Ca размокали в течение 1 -3 суток или растрескивались, глины с Al и Fe-не размокали); - влажность; - пористость; - наличие глинистых частиц (сложная и многогранная зависимость с участием других факторов); - характер сложения; - защемлённый воздух; - состав и концентрация электролита. 45

2. Размываемость грунтов - способность грунтов разрушаться под влиянием движущейся воды. Показатели: - размывающая (критическая) скорость водного потока (Vк); - интенсивность размыва (отношение средней толщины размытого слоя Δh к длительности размыва Ip= Δh/Δt ); - интенсивность смыва Is-потеря массы смываемых частиц грунта (bΔm) в единицу времени Δt с единицы площади смыва Is=Δm/Δts ). 46

Факторы, влияющие на размываемость: - структурные связи и цемент; - наличие водорастворимых солей; - состав обменных катионов (Li, Na, K сначала набухают в глинах, а затем расплываются, глины с Mg и Ca размокали в течение 1 -3 суток или растрескивались, глины с Al и Fe-не размокали); - влажность; - пористость; - наличие глинистых частиц (сложная и многогранная зависимость с участием других факторов); - характер сложения; - защемлённый воздух; - состав и концентрация электролита; - скорость потока. 47

3. Размягчаемость - способность скальных грунтов снижать свою прочность при взаимодействии с водой. ПОКАЗАТЕЛЬ: коэффициент размягчаемости Ksof=Rсж. W/R сж, где Rсж - предел прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии; Rсж. W - предел прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии. При Ksof < 0, 75 – грунты относят к размягчаемым. 48

Факторы, влияющие на размягчаемость: - наличие глинистых частиц; - наличие глинистых минералов; - прочность структурных связей; - большая пористость; - слабый цемент; - нарушенность естественного сложения, трещиноватость, выветрелость; - при большой влажности, породы неразмокаемы; - концентрация раствора повышает устойчивость к размягчаемости. 49

Водопроницаемость - способность водонасыщенных грунтов пропускать сквозь себя воду за счёт градиента напора. Показатель: коэффициент фильтрации (Кф) (описан Дарси) Кф=Q/FI, (см/с, м/сут), где Q - количество воды, проходимое в единицу времени (см 3/c); F - площадь поперечного сечения (см 2); I - гидравлический градиент, равный отношению разности напоров (ΔН) к длине пути потока ( L ) I=ΔH/L 50

υ пески глины Iнач - порог фильтрации Iнач Iпред I Зависимость скорости фильтрации от гидравлического градиента 51

Факторы, влияющие на водопроницаемость: I. Для несвязных грунтов: - дисперсность; - плотность; - заполнитель; - гумус; - ионный состав; - температура; - наличие газа. 52

II. Для связных грунтов: - минеральный состав; - анизотропность (слоистые грунты, лёссы); - гранулометрический состав; - однородность; - плотность; - гумус; - ионный состав; - температура; - наличие газа. 53

ГОСТ 25100 -95: Кф < 0, 005 м/сутки – грунт водонепроницаемый; 0, 005 -0, 30 – грунт слабоводопроницаемый; 0, 30 -3, 0 – грунт водопроницаемый; 3, 0 -30, 0 – грунт сильноводопроницаемый; > 30 – грунт очень сильноводопроницаемый Ориентировочный Кф для дисперсных грунтов глины - < 0, 001 м/сутки; суглинки - < 0, 1 м/сутки; супеси – 2 -0, 1 м/сутки; пески однородные – 2 -10 м/сутки; пески пылеватые - < 1 м/сутки; крупнообломочные - > 10 м /сутки 54

Физико-механические свойства Характеризуют поведение грунтов под нагрузками. Зависят от: 1. величины нагрузки; 2. направления; 3. времени воздействия; 4. физических свойств (рассмотрели ранее). рстр 1. S рпроп рпроч р кгс/см 2 мм рстр – структурная прочность; рпроп – предел пропорциональности (второе предельное состояние); Рпроч – предел прочности (первое предельное состояние); Расчеты: По второму предельному состоянию – деформационные свойства По первому предельному состоянию – прочностные свойства. 55

2. Нагрузка вертикальная Линейное напряжение σн рн Линейные деформации ε=∆h/h деформационные свойства Нагрузка горизонтальная ргор Сопротивление сдвигу τ ргор S Угловые деформации S ( перекос) tg α = L (высота ) L α прочностные свойства 3. Поведение во времени характеризуется реологическими свойствами. Р=const υдеф 0 а – мгновенные деформации; аб – затухающее течение деформаций; бв – установившееся течение; вг – прогрессирующее течение. г б в а 56 0 t

Типы физико-механических свойств: - деформационные; - прочностные; - реологические. 57

Закон ГУКА: напряжение (σ), передаваемое на тело равно относительной деформации (ε), умноженной на модуль упругости – модуль Юнга (Еy) σ = εy • Е y Отсюда, для скальных (упругих) грунтов: Еy = σ/ εy В дисперсных грунтах кроме упругих развиты и пластические деформации: Е о = σ / εо εо > εy , но Ео < Еy 58

Деформационные свойства характеризуют поведение пород под нагрузками, не приводящими к разрушению. Показатели деформационных свойств: m – коэффициент компрессии; Е – модуль общей деформации; l – модуль осадки. Определяют m и Е для вычисления осадки (расчет по деформациям, по второму предельному состоянию), которая происходит в результате уплотнения грунта под нагрузкой. Способность грунта уплотняться под нагрузкой называют сжимаемостью. Сжимаемость без возможности бокового расширения называют компрессией. ∆h = ho – h, мм ε = ∆h / ho еi = ео – ε (1+ ео ) е рстр еo m = tgα = - е 1 α е 2 е 3 σ1 σ2 σ3 σ4 σ (p) кгс/см 2 (МПа) еi - еi+1 , см 2/кгс σi – σi+1 1 + ео Е= β , кгс/см 2 (МПа) m l = 1000 • ε , мм/м 59

Факторы, влияющие на сжимаемость: 1. Гранулометрический состав 3. Плотность е е плотные пески рыхлые глинистые σ σ 4. Влажность (учитывать возможность оттока, скорость уплотнения) е сухой влажный 2. Минеральный состав ( зависимость сложнее, учитывать скорость и водоудерживающую способность) е каолинит монтмориллонит (плохо отдает воду) σ σ 60

5. Величина ступени нагрузки. 6. Вид нагрузки (статическая, динамическая). 7. Структурные связи. 8. Температура. 9. Обменные катионы в грунте (учитывать водоудерживающую способность одновалентных катионов по сравнению с двух- и трехвалентными). 10. Химический состав и концентрация воды. 11. Способность грунта к набуханию. е набухающий ненабухающий σ 61

Компрессионная кривая по схеме нагрузка -разгрузка Рисунок. Компрессионные кривые грунта при многократных циклах компрессии - декомпрессии 62

ГОСТ 12248 -96 Требует определить: 1. Абсолютную вертикальную деформацию ∆h = ho – h, мм 2. Относительную вертикальную деформацию ε = ∆h / ho 3. Коэффициент пористости при каждой нагрузке е = ео – ε (1+ ео) 4. Коэффициент компрессии еi - еi+1 m = tgα = , см 2/кгс σi – σi+1 5. Модуль общей деформации 1+ ео Еi= β mi 6. Структурная прочность – а) проведение компрессионных испытаний малыми ступенями нагрузок (0, 025 г/см 2) 7. Коэффициент фильтрационной консолидации Сυ и коэффициент вторичной консолидации Сa (см. Реологические свойства) 8. Модуль осадки l = 1000 • ε мм/м р ho е h рстр 0, 005 σв σ кгс/см 2 (МПа) ε 63

Классификация грунтов по сжимаемости несжимаемые грунты слабосжимаемые среднесжимаемые сильносжимаемые m < 0, 001 см 2/кгс; 0, 001 < m < 0, 01 см 2/кгс; 0, 01 < m < 0, 1 см 2/кгс; m > 0, 1 см 2/кгс. 64

Прочностные свойства (несущая способность грунтов) Прочностные свойства характеризуют поведение пород под нагрузками, не приводящими к их полному разрушению. Показатели: сцепление – С; угол внутреннего трения – φ; угол сдвига – ψ; угол естественного откоса – α; временное сопротивление сжатию – Rсж. Потеря прочности происходит под действием горизонтальных сил (сдвиг грунта), а также и вертикальных сил в виде: оползания в откосе, выпирания из-под фундамента, разрыва, образования трещин. 65

τ кгс/см 2 (МПа) tg φ = τ3 τ2 tg ψ = φ τ3 - τ1 σ3 - σ1 τi σi τ1 Формула Кулона с ψ σ1 σ2 σ3 σн кгс/см 2 (МПа) τ = tg φ • σн + с n Σ τ i σi - Σ τ i • Σ σi tg φ = n Σ (σi)2 – (Σ σi)2 τ c= h α σ r Σ τi • Σ σi - Σ σi • Σ τi σi n Σ (σi)2 – (Σ σi)2 Для песков: h tg α = r 66

Факторы, влияющие на сопротивление сдвигу: 1. Гранулометрический состав. 2. Минеральный состав. 3. Влажность. 4. Плотность. 5. Структура. 6. Анизотропность. 7. Химический состав и концентрация воды. 8. Схема испытаний. 67

Схемы испытаний грунтов на сдвиг (ГОСТ 12248 -96) КД – консолидированно-дренируемое испытание предварительно уплотненного грунта вертикальной нагрузкой, проводимое в условиях дренирования путем повышения срезающей нагрузки с такой скоростью (медленное испытание), при которой обеспечивается полная консолидация грунта. НН – неконсолидированно-недренируемое испытание без предварительного уплотнения грунта, проводимое в условиях отсутствия дренирования путем приложения горизонтальной нагрузки с такой скоростью (быстрое), при которой обеспечивается неизменность начальных значений плотности и влажности. 68

Сопротивление грунтов одноосному и трехосному сжатию разрушающая сила Rсж = площадь воздействия При разрушении породы по наклонной плоскости: р р р φ = 2 α – 90 о Рразруш с= = 2 tgα 2 tg(φ/2 + 45 о) τ α φ с 2α р (σ) 69

Трехосное сжатие τ σв 1 σб 2 σв 2 σ3 σв 3 Рв (σв Рбоковое σб) 70

Тема: Реологические свойства глинистых грунтов 71

Реология – наука о механическом поведении тел во времени при действии на них напряжений. 72

Виды проявления реологических свойств: n ползучесть; n релаксация; n длительная прочность. 73

Ползучесть - процесс изменения деформаций во времени под действием постоянного напряжения. n n n Виды ползучести глинистых грунтов: осевая ползучесть грунтов; ползучесть грунтов при сдвиге; объемная ползучесть грунтов. 74

Осевая ползучесть грунтов – развитие в грунте осевых деформаций во времени в условиях одноосного растяжения или сжатия, при этом объем грунта практически не меняется, а меняется лишь его форма. Параметры осевой ползучести грунтов: n скорость; n угловые пределы текучести; n вязкость; n порог ползучести и др. 75

Рис. 1. Кривые осевой ползучести озерно-ледниковой глины естественной структуры (W=24%) при комнатной температуре при действии растягивающих напряжений (σ, МПа) 76

Ползучесть грунтов при сдвиге – процесс развития деформации сдвига во времени под действием постоянного касательного напряжения , ﺡ происходящей при постоянном объеме грунта. Параметры ползучести при сдвиге: n n n условные предельные напряжения сдвига; максимальное, минимальное и эффективное значение вязкости при данном напряжении ; ﺡ порог ползучести. 77

На рис. 1 а представлены результаты трехосных испытаний на ползучесть водонасыщенной озерно-ледниковой глины естественной структуры при температуре +2, 5°С и разной интенсивности напряжений σi = σ1 - σ3, где σ1 и σ3 наибольшее и наименьшее главные напряжения. Из рисунка видно, что на стадии затухающей ползучести (при интенсивности напряжений σi <0, 06 МПа) она относительно быстро достигает максимального значения и затем остается постоянным. 78

Рис. 1 а. Зависимость порового давления от времени при испытаниях озерно-ледниковой глины на трехосное сжатие (W=25%, естественная структура) 79

Объемная ползучесть грунтов при компрессии – развитие во времени объемных деформаций грунта, возникающих в общем случае под действием постоянного шарового тензора , т. е. средних эффективных напряжений σm=(σ1+σ2+σ3), где σ1, σ2, σ3 – эффектив-ные напряжения по главным осям. 80

Частный вид объемной ползучести – консолидация Консолидация – развитие во времени затухающих деформаций уплотнения в условиях компрессии т. е. при одновременном уплотнении под постоянным напряжением σz и без возможности бокового расширения образца. 81

Этапы уплотнения (консолидации): n n n Мгновенное сжатие – возникновение упругих деформаций скелета грунта, поровой воды и газа; Фильтрационный этап или этап первичной консолидации, возникает за счет выжимания воды из породы (зависит от kф ); Завершение уплотнения – вторичная консолидация. Поровое давление равно 0 и вся нагрузка передается через скелет грунта. Наблюдается медленное смещение частиц относительно друга. Продолжительность этапов различна. 82

Параметры консолидации грунтов: n n n степень консолидации грунта(ө) на данный момент времени; период первичной консолидации (tф) – время от начала уплотнения до завершения фильтрационного этапа консолидации; коэффициент консолидации (cv), характеризующий скорость процесса уплотнения и определяемый по теории фильтрационной консолидации из соотношения: cv=kф(1+e)/m∙ρв где Kф - коэффициент фильтрации; е - коэффициент пористости; m коэффициент сжимаемости; ρв - плотность воды; cv - измеряется в см 2/с. 83

При изучении консолидации определяется зависимость относительной осевой деформации εz (или относительной осадки s) образца от времени уплотнения (t) при данной нагрузке (σz). Общий вид кривой консолидации s = f (t) при σz = const показан на рис. 1. 84

Рис 1. Общий вид кривой консолидации водонасыщенного глинистого грунта (σz = const): 0 -1 - мгновенное сжатие; 1 -2 – фильтрационная (первичная) консолидация; 2 -3 - вторичная консолидация. 85

В глинистых грунтах с дальним типом коагуляционных контактов (Nа-монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, илы и др. ) скорость консолидации весьма мала, такие грунты характеризуются наименьшими значениями коэффициента консолидации сv. Так, для Naмонтмориллонитовых глин при небольшой концентрации электролита порового раствора (менее 0, 01 н. ) значения коэффициента сv изменяются от 10 -6 по 10 -5 см 2/с (рис. 2). 86

Рис. 2. Зависимость коэффициента консолидации монтмориллонитовых глин от коэффициента пористости: 1 – Ca-монтмориллонит; 2 – природная монтмориллонитовая глина; 3 - Na-монтмориллонит 87

Релаксация напряжений – это падение напряжений во времени при сохранении постоянной деформации Основной параметр релаксации – время релаксации tr Время релаксации – время достижения системой состояния равновесия 88

Релаксация напряжений в различных телах происходит по разному (рис. 3). В идеально упругих телах, ( рис. 3, а), релаксация напряжений идет бесконечно долго. В идеально вязких телах (жидкостях) деформация нарастает во времени линейно, а после разгрузки она не восстанавливается (рис. 3, б); время релаксации в таких системах наименьшее. В реальных телах (включая и грунты) наблюдаются проявления и упругости, и пластичности. Так, в упруговязком теле деформация развивается во времени, но является затухающей и полностью восстанавливающейся (рис. 3, в); время релаксации напряжений в таком теле значительно. В упруговязкопластическом теле деформация также развивается во времени, но носит незатухающий характер и восстанавливается лишь частично (рис. 3, г); время релаксации напряжений в таком теле незначительно. 89

Рис. 3. Развитие деформаций во времени при нагрузке (τ = const) и разгрузке (τ = 0) в телах: а – идеально упругом; б - идеально вязком; в – упруговязком; г – упруговязко-пластическом. 90

Длительная прочность – это прочность, сохраняемая грунтом при длительном действии нагрузки Длительная прочность обусловлена следующими факторами: n n характером возникновения и изменением во времени избыточного давления в поровой воде водонасыщенного грунта; ползучестью скелета водонасыщенного и неводонасыщенного грунтов. 91

Долговечность грунта (tp) – это время от момента приложения нагрузки к грунту до момента его разрушения. Чем больше напряжение, тем меньше долговечность грунта, и наоборот. 92

Определение ползучести проводят при испытании заданной нагрузкой в течение 1000 часов. 93

Тема: Особенности свойств генетических типов глинистых грунтов. 94

95

96

97

Тема: «Структурные связи» Структурные связи по своей природе подразделяются на: 1. Связи химической природы: - ионные; - ковалентные; - водородные. 2. Связи физической и физико-химической природы: - молекулярные; - электростатические; - ионно-электростатические (рис. 1); - магнитные; - капиллярные (рис. 2). 98

Пластическая прочность φ + φ W Рис 1. Рис 2. 3. Связи биотической природы. 4. Связи механической природы. 99

Контакты между глинистыми частицами (Ребиндер, 1966 г. ) Фазовые контакты -частицы -вода связанная Цементационные контакты -цемент Коагуляционные контакты 100

Переходные контакты Контакты зацепления 101