Инженерная геология ИГ наука о формировании и

Инженерная геология (ИГ) – наука о формировании и изменении инженерно-геологических условий (ИГУ) территорий, о геологических условиях строительства и эксплуатации сооружений, о рациональном использовании геологической среды (ГС) для создания безопасных и комфортных условий жизнедеятельности человека. 1

Грунтоведение • Содержание термина «грунт» • • Инженерно-геологические классификации грунтов – основа изучения свойств грунтов Характеристика составляющих компонент грунта Минеральная компонента Жидкая компонента Газообразная компонента Биотическая компонента Взаимодействие основных компонент грунтов Физические, водные и механические свойства грунтов, их показатели Литература 1. Ананьев В. И. , Потапов А. Д. Инженерная геология М. , Высшая школа 2000, 511 с. 2. Грунтоведение. Под ред. Трофимова В. Т. Изд-во Наука. 2005 г 3. Инженерная геология России. Том. 1. грунты России. Под ред. В. Т. Трофимова, Е. А. Вознесенского, В. А. Королёва. - М. : КДУ, 2011. 4. Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. - Л. : Недра. 1984. 511 с. 5. Ломтадзе В. Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. - Л. : Недра. 1990, - 327 с. 6. ГОСТ 25100 -2011 Грунты 2

• Содержание термина «грунт» Под грунтами понимаются любые горные породы, почвы, осадки и антропогенные геологические образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы, исследуемые в связи с планируемой, осуществляемой или осуществленной инженерной деятельностью человека. Грунты – объект изучения «грунтоведения» Раздел инженерной геологии Механикой грунтов Неразрывно связана с Технической мелиорацией грунтов Геотехникой Знания о грунтах (их состав, строение, состояние, свойства) – предмет «грунтоведения» 3

ГРУНТЫ Строительный материал. Основания сооружений Среда сооружений При использовании грунтов в качестве основания и среды сооружений, как строительных материалов, необходимо определение их физико-механических свойств, для этого проводят полевые и лабораторные исследования. 4

«Классификация –система соподчинённых понятий (классов, объектов) области знания или деятельности человека, используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов» • Инженерно-геологические классификации грунтов – основа изучения свойств грунтов Классификации грунтов в инженерной геологии Общие Специальные Частные Региональные 5

Общие классификации Рассматривают полное глобальное многообразие грунтов и систематизируют их в определённую иерархическую систему по выбранным классификационным критериям (используются генетические и морфологические показатели) • • • классификация Ф. П. Саваренского – В. Д. Ломтадзе; классификация Е. М. Сергеева; стандартная классификация ГОСТ 25100 -2011. Предназначены для различных отраслей строительства 6

Специальные классификации (отраслевые) Обычно основываются на учёте одного какого-либо признака грунтов • классификация по устойчивости грунтов в откосах; • классификация по несущим способностям грунтов; • классификация по способу и трудности разработки грунтов; • классификация по крепости грунтов; • и другие. Разработаны применительно к задачам, требованиям определенной отрасли строительного дела 7

Частные классификации Подразделяют множество грунтов по одному или нескольким конкретным признакам (показателям состава, микроструктуры, свойств и др. ) (показателям состава, микроструктуры, свойств и др • классификации грунтов по гранулометрическому составу; • классификация глинистых грунтов по показателю консистенции; • классификации грунтов по величине деформации набухания или давления набухания; • и другие. Применяются в практике исследования состава, состояния, свойств грунтов для различных целей 8

Региональные классификации Систематизируют знания о грунтах, развитых на определенных территориях • региональные общие классификации • региональные частные классификации Используются при изучении инженерно-геологических условий различных регионов 9

Характеристика составляющих компонент грунта Минеральная компонента Жидкая компонента Газообразная компонента Активно взаимодействуют между собой, обусловливая определенные строительные качества грунтов. Биотическая компонента Vгр – объём грунта Vт – объём твердой (минеральной части) грунта Vп – объём пустот (заполненных водой и воздухом или газами) Vв –объём воды Vг – объём газа (воздуха) Vгр = Vп + Vт Vп = Vв + Vг mгр – масса грунта mт – масса твердой (минеральной части) грунта mв – масса воды mгр = mт + mв 10

• Минеральная (твёрдая) компонента грунта Является основной частью грунта, составляющей его скелетную основу и представлена обломками и частицами, различной крупности, объединяемых в группы или фракции Фракции Размер фракций , мм Фракции Размер фракций, мм Валуны и глыбы >200 Гравий и дресва Песчаные частицы Пылеватые частицы Галька и щебень крупные 20 -10 грубые 2 -1 крупные 0, 05 -0, 01 Очень крупные 200 -100 средние 10 -4 крупные 1 -0, 5 мелкие 0, 010, 002 крупные 100 -60 мелкие 4 -2 средние 0, 5 -0, 25 Глинистые частицы средние 60 -40 мелкие 0, 25 -0, 10 грубые 0, 0020, 001 мелкие 40 -20 тонкие 0, 10 -0, 05 тонкие <0. 001 Количественное соотношение фракций различных размеров в грунтах отражает их гранулометрический состав Классификации грунтов по гранулометрическому составу Частные разработаны для какого-либо одного типа грунтов Общие охватывают большую часть петрографических типов грунтов • Н. А. Качинского - для почв и глинистых грунтов, Качинского • С. С. Морозова - для лёссовых грунтов, • В. Д. Ломтадзе - для песчаных грунтов, • Е. М. Сергеева - для песчаных грунтов, • классификация ГОСТ 25100 -2011, 25100 -2011 • и др. Классификация В. В. Охотина В зарубежных странах - иные общие классификации 11

Общий вид гранулометрической кумулятивной кривой 12

Минеральный состав В значительной степени влияет на физико-механические свойства грунтов, особенно глинистых, в составе которых присутствуют своеобразные минералы – «глинистые» Наибольшее распространение имеют минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, строение кристаллической решётки которых различно Обусловливает различие физико-механических свойств грунтов Глины Монтмориллонитовая Интервал нагрузок МПа Коэффициент пористости Начальный Конечный Относительная сжимаемость % 100 -300 0, 761 0, 661 5, 6 Гидрослюдистая 0 -300 0, 793 0, 199 33, 0 Каолинитовая 3 -200 0, 778 0, 82 33, 6 13

Твёрдая компонента определяет физико-механические свойства грунтов, и, прежде всего – механические: прочность, деформируемость Прочность грунта зависит: - от прочности составляющих твёрдых компонентов (кристаллов минералов, зёрен и обломков грунтов, минеральных частиц и др. ), - от характера связи между ними. Прочность самих твёрдых компонентов определяется прочностью и характером связей внутри них. В инженерно-геологических целях подразделение твёрдой компоненты - по преобладающему т ковалентный ионный и п у водородный связей внутри компоненты металлический молекулярный Играют основную роль в формировании структурных связей в грунтах 14

• Жидкая компонента грунта Классификация жидкой компоненты грунтов Категория (тип) воды Связанная Переходного типа (от связанной к свободной) Свободная Виды и разновидности воды 1. Вода кристаллической решётки минералов (конституционная, кристаллизационно-связанная). 2. Адсорбционная вода (островной, мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции). 1. Осмотически поглощённая вода. 2. Капиллярная вода (капиллярной конденсации и капиллярного впитывания). 1. Замкнутая в крупных порах (иммобилизованная). 2. Текучая. 15

• Газовая компонента грунта Оказывает влияние на свойства грунтов. Активно вступает во взаимодействие с другими компонентами грунта, участвуя в различных физико-химических процессах (окисление, восстановление, растворение, биологические процессы). Большие скопления газов могут создавать поровое давление в грунтах и тем самым снижать их прочность; в ряде случаев прорыв газов в подземные выработки и основания насыпей являются причиной значительных деформаций грунта. Содержится В порах грунта 1. В свободном состоянии 2. В адсорбированном состоянии 3. В защемлённом состоянии В воде, заполняющей поры 1. В виде мелких пузырьков 2. В растворённом состоянии 16

• Биотическая компонента Различные живые организмы, для которых грунты – среда обитания Микроорганизмы Макроорганизмы Влияние на состав, строение, состояние и свойства грунтов, а также строительных материалов Аварийное состояние зданий и сооружений 17

• Взаимодействие основных компонент грунтов Твердая компонента Жидкая компонента Газовая компонента Биотическая компонента Соотношение и их взаимодействие влияют на формирование состава, Соотношение и их состояния и физико-механических свойств грунта. облик состояние свойства 18

• Физико-механические свойства песчаных и глинистых грунтов и их показатели Физические Водные Механические 19

Физические свойства плотность Основные пористость влажность Дополнительные Взаимосвязаны, и в целом выражают физическое состояние грунтов как в условиях естественного залегания, так и в земляных сооружениях. Для глинистых - консистенция Для песчаных – относительная плотность 20

Характеристики физических свойств грунтов Плотность грунта ρ = mгр /Vгр Плотность твердой (минеральной ) части ρs = mт /Vт Плотность скелета грунта Удельный вес грунта ρd = mт/Vгр = ρ/ (1 + 0, 01 W) γ = ρg Удельный вес твердой (минеральной ) части γ s = ρs g Удельный вес скелета грунта γ d = ρd g Удельный вес грунта с учётом взвешивающего воздействия воды Влажность весовая Влажность объемная Полная влагоемкость (влагоемких грунтов) или полная водоемкость (невлагоемких) Коэффициент водонасыщения Пористость Коэффициент пористости грунта, насыщенного водой Объем пор в 1 см грунта Объем минеральной части в 1 см 3 грунта γsb= (γs - γw)(1 -n) = (γs - γw)(1+e) W = (ρ - ρd )/ρd W 0 = Wρd Wn = n/ ρs(1 -n) Sr = W/Wn = Wρs/ еρw n = 1 -m = 1 - ρd/ρ e = n/ (1 -n ) = (ρ - ρd)/ρd e = Wρ n = e/(1+e) = 1 -m m = 1/(1+e) = 1 -n Предел пластичности глинистого грунта Wp Предел текучести глинистого грунта Wт Число пластичности Показатель консистенции Iр = Wт - Wр IL = (W-Wp)/Iр Коэффициент относительной плотности песка Id = (emax – e 0)/(emax - emin) Коэффициент уплотненности песчаного грунта U = (emax - emin)/emin 21

Плотность определяется соотношением между объёмами твёрдых частиц, водой и воздухом (газом) Плотность частиц грунта ρs= mт/Vт/см 3 Плотность грунта Служит для косвенного суждения о составе основных породообразующих минералов, а также для расчёта пористости грунтов Зависит от объёма пор и степени заполнения их водой. Не даёт представления о состоянии грунта, т. к. при одной и той же пористости, но разной степени их заполнения водой, получаются разные значения плотности Определяется расчётом Определяются опытным путём 3 ρ=mгр/Vгр= (mт+mп )/(Vт+Vп ) г/см Плотность скелета грунта ρd=mт/ Vгр= 3 mт/ (Vт+Vп )г/см Используется для оценки истинной плотности насыпных сооружений с целью определения их однородности по прочности, сжимаемости, водопроницаемости Плотность наиболее типичных песчаных и глинистых грунтов в естественных условиях залегания грунты состояние Плотность грунта Плотность скелета Пески гравелистые, крупно- и среднезернистые Плотное сложение Средней плотности Рыхлое сложение >1. 85 1. 65 -1. 85 <1, 65 >1. 70 1. 55 -1. 70 <1. 55 Пески мелкозернистые, тонкозернистые, супесь легкая Плотное сложение Средней плотности Рыхлое сложение >1. 75 1. 60 -1. 75 <1. 60 >1. 65 1. 50 -1. 65 <1. 50 Глины, суглинки, супеси тяжёлые Уплотнённые мягкие 1. 70 -2. 20 1. 10 -1. 70 1. 35 -1. 90 0. 80 -1. 35 22

Пористость выражает физическое состояние песчаных и глинистых грунтов, т. е. плотность упаковки частиц. Показатели Пористость - n Характеризует объём пор в грунте (в единице объёма грунта) n = Vп / Vгр. n = 1 -m = 1 - ρd/ρ Коэффициент пористости – e e = Vп / Vт = n/(1 -n) Vт - остаётся постоянным при уплотнении e используется в расчётах При полном насыщении пор водой e = w ρs Vгр - изменяется при уплотнении n - переменная величина Показатели пористости и коэффициента пористости основных разновидностей песчаных и глинистых грунтов грунты показатель с л о ж е н и е плотное средней плотности малой плотности Пески гравелистые, крупно- и среднезернистые n% e 35 0, 55 35 -40 0, 55 -0, 70 40 0, 70 Пески мелкозернистые, тонкозернистые, супесь легкая n% e 38 0, 60 038 -44 0, 60 -0, 80 44 0, 80 Глины, суглинки, супеси тяжёлые n% e 30 0, 40 30 -45 0, 40 -0, 80 45 0, 80 23

Влажность грунтов Характеризуется количеством воды, заполняющей поры грунтов. В зависимости от степени влажности, песчаные и глинистые грунты могут находиться в различном физическом состоянии в соответствии с которым (особенно у глинистых грунтов) изменяется их деформируемость, устойчивость, прочность. Весовая влажность W. Определяется высушиванием грунтов при постоянной температуре 105 С. W=mв/mт, доли ед, %. Влажность грунта при полном заполнении пор водой соответствует его полной влагоёмкости Wп Wп = n/ρs(1 -n) = 1/ρd-1/ρs. Wп = e 0ρw/ρs. Коэффициент водонасыщения Sr (характеризует степень насыщения пор водой, отражает отношение естественной влажности к их полной влагоёмкости) Sr = W/Wп =Wρs/eρв Для маловлажных грунтов Sr = 0…. 0. 5, влажных – 0. 5… 0, 8, насыщенных – 0. 8…. 1, 0. 24

Консистенция Определяет физическое состояние глинистого грунта и характеризует подвижность глинистых частиц при определённой влажности под воздействием внешних усилий Число пластичности Iр — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границах текучести WL и раскатывания Wp. Iр = WL - Показатель текучести IL— отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта (естественному W и на границе раскатывания Wp), к числу пластичности Ip. Wр IL =(W-Wр)/(WL-Wр)= (W-Wр)/ Iр Разновидность глинистых грунтов Супесь WL - влажность, при которой грунт переходит твёрдая в текучее состояние Wр - влажность, при которой грунт переходит от пластичного к полутвердому состоянию IL <0 пластичная текучая >1 Суглинки и глины твёрдые 1 -7 - супесь Iр 7 -17 - суглинок >17 - глина В соответствии с ГОСТ 25100 -2011 <0 полутвёрдые 0 -0, 25 тугопластичные 0, 25 -0, 50 мягкопластичные 0, 50 -0, 75 текучепластичные 0, 75 -1, 00 текучие >1. 0 25

Относительная плотность песков Используется для оценки песчаных грунтов как оснований, среды или материала для различных сооружений Степень плотности (относительная плотность) песчаных грунтов Id Id = (emax – e 0) / (emax – emin), emax - коэффициент пористости песка при самом рыхлом сложении; emin – коэффициент пористости песка при самом плотном сложении; e 0 – коэффициент пористости песка естественного сложения. Коэффициент уплотняемости песков U = (emax – emin) / emax Чем ближе этот показатель к 1, тем большей способностью к уплотнению обладает песок, т. е. больше может уменьшиться его пористость при внешнем воздействии. Разновидность песков Степень плотности слабоуплотнённый 0 -0, 33 среднеуплотнённый 0, 33 -0, 66 сильноуплотнённый 0, 66 -1, 00 26

Водные свойства песчаных и глинистых грунтов Определяют отношение песчаных и глинистых грунтов к воде и при инженерно-геологической оценке имеют важное значение. Основные показатели водоустойчивость влагоёмкость капиллярность водопроницаемость 27

Влагоёмкость Имеет значение - для песчаных и глинистых грунтов при оценке их степени увлажнения; -для глинистых – при оценке их гидрофильности; - для рыхлых несвязных – при решении вопросов осушения, оценке возможных притоков воды в котлованы, подземные выработки Способность грунта: вмещать и удерживать определённое количество воды в различных условиях Влагоёмкие - глины и суглинки Невлагоёмкие (характеризуются водоёмкостью) - пески, галечники, щебень Промежуточное положение (супеси, пески мелкозернистые, тонкозернистые) Полная Молекулярная Капиллярная характеризует влажность грунтов при полном насыщении пор водой характеризует способность грунтов удерживать физически связанную воду на поверхности минеральных частиц или в межпакетных пространствах характеризует количество воды в порах, способных поднимать воду 28

Водоустойчивость Наиболее важное значение имеет для глинистых грунтов и зависит от их состава, характера структурных связей. Показатели используются при оценке: устойчивости и деформируемости оснований сооружений, откосов, подземных сооружений, земляного полотна дорог; грунтов как материала для плотин, насыпей, дамб и др. Скорость и характер размокания Величина, сила и влажность набухания Величина и влажность усадки Содержание водорастворимых соединений и их состав Капиллярность Имеет значение: для характеристики мелко- и тонкозернистых песков, глинистых грунтов с целью определения их возможного чрезмерного увлажнения при неглубоком уровне залегания подземных вод или при его повышении; при оценке воздействия воды на подземные части сооружений. Высота капиллярного поднятия Зависит от высоты залегания грунтов над уровнем грунтовой воды. Образуется «капиллярная кайма» , в пределах которой прочность грунтов меняется, что следует учитывать при оценке их устойчивости, а также может являться причиной их пучения. 29

Водопроницаемость Коэффициент фильтрации Kф - Используется при расчётах: - притока воды к котлованам, подземным выработкам; потерь воды на фильтрацию, а также дренажей, водопонижения и др. ; -осадок сооружений на глинистых грунтах во времени. Основной закон водопроницаемости песчаных и глинистых пород – закон ламинарной (плоскопараллельной) фильтрации: V = Q/F или Q = Кф F I при F = 1 и I = 1 3 Кф = Q м/сут Скоростное выражение коэффициента фильтрации Q/F = V = Кф I при I = 1 V = Кф м/сут Q – количество фильтрующейся воды, м 3 /сут; F– площадь поперечного сечения грунта, м. 2 Учитывая, что агрегаты и частицы занимают часть сечения грунта, действительная площадь фильтрации воды – Fд

Механические свойства грунтов - характеризуют Деформационные Характеризуются сжимаемостьюспособностью грунтов уменьшаться в объёме под действием нагрузки. Закон уплотнения: Изменение коэффициента пористости грунта прямо пропорционально приложенному давлению. dе = dσ их поведение под нагрузкой Прочностные Характеризуются Характеризую сопротивлением сдвигу τ – сдвигу показатель прочности, обусловленный трением между частицами и структурными связями между ними (1+e 0). Е φ-угол внутреннего трения грунта, С – сцепление грунта. Реологические Характерны главным образом для относительно главным твёрдых полускальных и глинистых грунтов и проявляются при изменении напряжённого деформируемого состояния грунтов во времени в виде: - ползучести (процесс изменения деформации во времени); -релаксации напряжений (процесс уменьшения напряжений во времени при сохранении постоянной деформации); -длительной прочности грунта при длительном действии нагрузки. Параметры реологических свойств различны. 31