Свойства грунтов Классы свойств n n n

Свойства грунтов

Классы свойств n n n Химические Физико-химические Физико-механические Биотические (!) Свойства грунта зависят от состава, строения и состояния

Группы свойств n n n Емкостные Транспортные Критические (пороговые)

Химические свойства n Способность участвовать в химических реакциях (окисление, восстановление, гидратация, растворение и др. ) Пример: Окисление Ожелезнение Выветривание

Растворимость Показатель – предельная концентрация, [мг/л] карбонатные сульфатные галоидные Карст

Растворимость осадочных несцементированных грунтов Засоленные и растворимые грунты (СНИП 2. 01 -83): Грунт Соли легко- и среднерастворимые, % К/обл с песчаным заполнителем < 40% или с пылевато-глинистым < 30% >2 К/обл с песчаным заполнителем > 40% > 0, 5 К/обл с пылевато-глинистым заполнителем > 30% > 0, 5 Песчаные > 0, 5 >5 Пылевато-глинистые Засоленость – содержание водорастворимых солей

Климатическая зональность Изменение засоленности в разрезе Изменение засоленности грунтов зоны аэрации % % тундра тайга лесостепь пустыня север юг с ю Выщелоченный грунт Кальцит+гипс+легкораств соли H, м Закономерностей нет

Кислотно-основные свойства n Кислотность грунта обусловлена суммой ионов водорода р. Н – показатель кислотности (р. Н=7 нейтральная среда, < 7 – кислая, 7 -14 щелочная) n Щелочность определяется концентрацией ионов ОН- У грунтов р. Н=3 -9 , преобладает 6 -6, 5 р. Н Зависимость р. Н от климатической зоны С Ю

р. Н поровых растворов различных физикогеографических зон Появление карбонатов Са

Химическая агрессивность грунта n n n ХАГ - негативное влияние на различные компоненты природно-технических систем (фундаменты зданий, живые организмы…) Агрессивность к бетону Агрессивность к металлу (рассматривается с коррозионными свойствами)

Агрессивность по отношению к бетону (СНИП 2. 03. 11 -85) n Выщелачивающая (растворение составных частей бетона) n Магнезиальная (выщелачивание бетона раствором с ионом Mg 2+) n n Общекислотная (при понижении р. Н раствора до 5 -6) Сульфатная (в растворе ион SO 4 2 - → образование гипса гидросульфоалюмината “цементная бацилла”→ увеличение объема → вспучивание и разрушение бетона) n Углекислотная (за счет углекислоты H 2 CO 3) и

Механизмы разрушения (коррозии) бетона n n n Растворение и выщелачивание цементного камня растворами Обменные реакции компонентов цементного камня и раствора Кристаллизация малорастворимых веществ с увеличением объема и растрескиванием бетона

Химическая поглотительная способность n Образование в грунтах труднорастворимых соединений при протекании реакций между различными фазами (хемосорбция) Сa-форма грунта + р-р Na 2 CO 3 → 2 Na- грунт + Сa. CO 3↓ осадок Процесс не обратимый

Физико-химические свойства

Адгезия n Адгезия – процесс прилипания жидкости, твердых частиц или молекул газа к поверхности (обычно к твердой минеральной поверхности грунта) Глинистая суспензия Адгезия глинистых частиц на поверхности песчаных зерен песок Сначала чистая вода Потом раствор мутнеет Поры кольматируются, уменьшается их размер

Липкость - способность грунта прилипать к внешним предметам ü Влажность начального прилипания (Wнп) Влажность максимального прилипания (Wмп) ü Максимальная липкость (Lmax) [МПа, кг/см 2, г/см 2] – то ü усилие, которое нужно приложить к штампу, чтобы оторвать его от грунта L Капилл. + осм Wнп~ Wкк Lmax Wмп~ Wc Wнп W, % Wмп

Влияние минерального состава L монтмориллоинт гидрослюда каолинит W, % Влияние дисперсности L глина суглинок супесь песок W, % W

Состав обменных катионов Maх ДЭС → осмотическая вода → максимальная дисперсность L Ка + Ка 2+ Ка 3+ Min ДЭС → агрегированность W, % L Концентрация порового раствора С 1 С 2 С 3 W, % С 1

Адсорбционные n Адсорбция – концентрирование вещества из объема фаз на поверхности раздела между ними. Физическая (молекулярные силы, электростатические) Факторы: Состав грунта, СЕС Дисперсность Т, Р, р. Н…. Химическая (хемосорбция)

Ионный обмен (разновидность адсорбции) n n n n ИО – способность грунта поглощать из растворов определенные катионы или анионы и наоборот, отдавать в раствор другие Показатель - СЕС Замена одних ионов на другие осуществляется в эквивалентном количестве Ионы с низкой валентностью легче замещаются ионами с большей валентностью Больше концентрация раствора - больше интенсивность ИО Больше р. Н – больше СЕС Больше Т – больше скорость ИО

Диффузионная активность n Д – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации одного вещества в объеме другого под влиянием теплового движения молекул. J=D d. C/d. X грунт С 1 J – интенсивность диффузии D – коэффициент диффузии d. C/d. X – градиент концентрации D [см 2/с] = f ( T, вязкость, радиус частиц) С 2 Диффузия солей С 1>С 2 1) Чем выше Т, тем больше D; 2) Чем больше пористость, тем больше D 3) Чем больше вязкость, тем меньше D 4) Чем меньше радиус ионов, тем больше скорость Д В глинистых грунтах D - от 10 -11 см 2/с до 10 -5÷-7 см 2/с

Осмотические свойства n Осмос – движение растворителя через полупроницаемую мембрану под действием градиента концентрации грунт С 2 С 1>С 2 Механизм: Мембрана – внешняя граница ДЭС; H 2 O проходит, а катионы удерживаются в ДЭС Осмос H 2 O Jосм=Косм d. C/d. X Диффузия солей Jосм – интенсивность осмоса Косм – коэффициент осмоса d. C/d. X – градиент концентрации

Коррозионная активность – способность грунтов воздействовать на металлические или неметаллические конструкции вплоть до их разрушения. Время появления первой каверны сталь 9 8 - мм см 30 >25 лет – низкая 1 -3 года – высокая

Пластичность n n n Способность грунта деформироваться под нагрузкой и сохранять полученную форму после снятия нагрузки Параметры: Нижний предел пластичности (Wp) Верхний предел пластичности (WL) Число пластичности Ip= WL- Wp Показатель консистенции: IL=(We-Wp)/(WL-Wp) IL > 1 текучая консистенция 0

Набухаемость – увеличение объема глинистых n n n грунтов при взаимодействии с водой Степень набухания: Влажность набухания Давление набухания (до 30 кг/см 2) ∆h ho Набухающие грунты : Коагуляционные связи Осмотическая вода

Механизм набухания Глинистая частица ДЭС, осмотическая вода - - Ионно-электростатическое отталкивание Расклинивающие действие пленок воды

Влияние минерального состава Wsw до 200 -600% Wsw εsw tнб Wsw εsw ? Каолинит гидрослюда смектит Время (t) Влияние дисперсности tнб – до полугода t ? Пески Супеси Суглинки глины

Влияние обменных катионов (для одной глины, насыщенной разными катионами) Wsw εsw Na+ Mg 2+ Al 3+ t Влияние концентрации раствора Wsw εsw С 3 С 2 С 1 t С 1 C 2 C 3

Усадочность n Уменьшение объема глинистых грунтов при дегидратации Относительная линейная усадка h 0 – начальная высота трещины усадки Коагуляционные → точечные

Стадии усадки 1. Потеря свободной воды и осушение крупных пор. 2. Потеря оставшейся части свободной воды и потеря осмотической воды. Пропорциональное изменение W и Vгрунта. Значительные объемные деформации 3. Возникает контакт между частицами. Деформации не велики. Потеря остатков осмотической воды и капиллярной воды из крупных капилляров (0, 1 -1 мм). 4. Изменения объема не происходит, т. к. частицы контактируют друг с другом. Теряется вода из тонких капилляров и вода полислойной адсорбции. 5. Иногда происходит сухое набухание из – за снятия капиллярного поджатия.

Капиллярные свойства n n n Способность воды подниматься по тонким трубкам Высота капиллярного поднятия Н к. п. Скорость капиллярного поднятия V к. п. Н 2 О

Формирование капиллярной каймы в зоне аэрации 1 – зона связанной воды, 2 – зона капиллярной каймы, 3 – грунтовые воды, УГВ – уровень грунтовых вод

H Глины – 6 -8 м, до 12 м к. п. Суглинки – 3 -4 м Супесь – 1 -1, 5 м Пески до 1 м tк. п. . t к. п. t – период капиллярного поднятия Пески – часы до суток Супеси – 1 -2 суток Суглинки – до недели Глины – месяц и более (до года)

Скорость капиллярного поднятия песок супесь суглинок глина t

Физические свойства

Плотностные свойства

Плотность твердых частиц (ρs) (плотность твердой компоненты/фазы; удельная масса, удельный вес, плотность - в физике ρs=mтв/Vтв, [г/см 3], [кг/м 3] mтв – масса твердых частиц, Vтв – объем твердых частиц n n n Зависит только от вещественного состава грунта Методы: 1) пикнометрический; 2) прибор ПЭЛА (В. Я. Калачева).

ρs некоторых грунтов и минералов Большинство грунтов 2, 5 -2, 8 г/см 3 Пески 2, 65; супеси 2, 7; суглинки 2, 71, глины – 2, 74 Гумус – 1, 25 -1, 4 г/см 3 Минералы: Темноцветные – 3 -4 г/см 3 Полевые шпаты 2, 5 -2, 7 г/см 3 Кварц 2, 65 г/см 3

Плотность грунта (ρ) Масса единицы объема грунта с We и природным (ненарушенным) сложением (син. – объемная масса, объемный вес). ρ=m/V , [г/см 3], [кг/м 3] m – масса грунта, V – объем грунта Дисперсные грунты 1, 3 -2, 2 г/см 3 Зависит от минерального состава, строения, пористости, влажности

Плотность скелета грунта (ρd) Масса твердой компоненты в единице объема грунта с ненарушенным сложением ρd=mтв/Vгр Зависит от минерального состава и пористости ПЛОТНОСТЬ СКЕЛЕТА ВЫСУШЕННОГО ГРУНТА (при Т=105 0 С)

ρs > ρd

Пористость: n=Vпор/Vгр= (ρs- ρd) / ρs , % Коэффициент пористости: е=Vпор/Vтв= (ρs- ρd) / ρd [доли ед. ]

Коэффициент плотности

Влагоемкость n Влагоемкость - способность грунта вмещать максимальное количество воды n Полная влагоемкость (Wsat ) равна влажности грунта при полном заполнении всех пор водой (все виды воды) n Капиллярная влагоемкость (Wс) – равна влажности грунта при его капиллярном насыщении (капиллярная+связная)

Проницаемость (водопроницаемость, газовая проницаемость) n Способность грунтов пропускать газ или жидкость при наличии градиента давления Закон Дарси Н 1 Н 2 L

V, м/сут I Глины < 5*10 -5 м/сут – водонепроницаемые Пески 0, 5 - 50 м/сут – слабо- и водопроницаемые Галечники >50 м/сут – сильно водопроницаемые Грунтоведение Стр 373 - таблица

Глинистые грунты n n n Обычно водонепроницаемые (водоупоры) Факторы, вызывающие повышение водопроницаемости: Усадка при высыхании → растрескивание → повышение водопроницаемости Растворение солей Вытаивание льда в мерзлых породах Al, Fe, Са-грунты более проницаемы, чем Na-грунт (диспергирующий эффект, уменьшение размера пор, в порах – осмотическая вода)

Анизотропия водопроницаемости Кф – коэф. фильтрации Коэффициент анизотропии Примеры: Вода ┴ Вода == Ленточные глины Лессы

Водопрочность грунтов n Размокаемость - способность дисперсных грунтов при замачивании в спокойной воде терять связность и превращаться в рыхлую массу n t; V и характер размокания

Акустические свойства

Скорость распространения упругих волн Объемные волны – продольные Vp и поперечные Vs Продольная волна Деформации сжатия-растяжения колебание Р-волна Распространяются во всех средах: твердой, жидкой и газе Сдвиговые деформации Поперечная волна колебание S-волна Распространяются только в твердой среде

Измерение Vp, Vs Ультразвуковой прибор 1. Электрической генератор импульса 2. Преобразователи электрической энергии в механическую - излучатель - приемник 3. Регистрирующее устройство Частота 100 к. Гц-1 МГц Vp=H/tp, км/c Vs=H/ts км/c Vs/Vp~0, 5

Vp, км/c n n n Скальные грунты ~ 2 -6 км/с Воздух 0, 33 км/с Вода 1, 45 км/с

Магнитные свойства

Магнитная восприимчивость (c) n Характеризует способность материала намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля. I= c *Н I – намагниченность; H – напряженность магн. поля c , ед. *10 -3 СИ

Каппаметр

n (1) Диамагнетики c<0. Цветные металлы: Сu, Zn, Ag, Au, Hg и др. ; S, графит; Минералы - кварц, кальцит, гипс, галит, ПШ; Горные породы - каменные соли, мел, известняк. Вода, нефть, газовая компонента. n (2) Парамагнетики c >0. Большая часть минералов - пироксены, роговая обманка, пирит, биотит, сидерит, доломит, и т. д. ; горные породы Кислород, воздух - слабые парамагнетики. n (3) Ферромагнетики c >>0 (> 10 ед. СИ). Fe (тыс. ед. СИ), руды железа

Эксперименты Ю. Б. Осипова n Седиментация глинистых частиц в магнитном поле Без магнитного поля Слабое магн. поле Сильное магн. поле Беспорядочная текстура, нет трещин усадки Частичная ориентировка частиц вдоль силовых линий, Трещины усадки при высыхании Ориентированная текстура, Сильная усадка при высыхании

Тепловые свойства Изучаются при работе в зоне ММП, при проектировании АЭС, хранилищ РАО… ü Теплоемкость (C, Дж/кг К)– способность поглощать тепловую энергию при теплообмене Грунты: 0, 7 -0, 95 к. Дж/кг К, торф до 2, 1 (стр. 398) Влажность увеличивает теплоемкость ü ü ü Теплопроводность (λ, Вт/м К)– способность проводить тепло Минералы 0, 2 -7 Вт/м К (до 20 -40 руды); вода - 0, 6, лед – 2, 3, воздух 002. Температуропроводность (α, м 2/c) - скорость распространения изменения Т при теплообмене λ= α С v ü Коэффициент теплового расширения

песок суглинок Чем выше W, ρ, тем выше λ

к/обл песок супесь суглинок глина торф Больше дисперсность – ниже λ У мерзлых выше λ

Электрические свойства n Осушение грунтов, расчет оснований заземляющих устройств, для борьбы с коррозией; в геофизике… n Удельное эл. сопротивление (ρ, Ом м) n Минералы - 10 -3 – 10 15 n n Проводники (металлы)< 10 -6, полупроводники и диэлектрики (>102) (стр. 407) Электропроводность (σ) – способность проводить электрический ток ρ=1/σ Факторы: состав, строение, пористость, W, Т, концентрация раствора….

Радиационные свойства n n Радиоактивность – превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы других элементов с излучением элементарных частиц (α, β, γ) (радиоактивный распад). Период полураспада – t, за которое радиоактивность снижается в два раза

Естественная радиоактивность n n Слаборадиоактивные – ПШ, кварц, нефелин Слабоповышенная Р – биотит, пироксены, амфиболы Повышенная Р - акцессорные и рудные – флюорит, апатит, магнетит, ильменит Высокая Р. – сфен монацит, циркон. . ЕР обязательно оценивается при освоении территории Сжигание углей – в золе концентрируются радиоактивные вещества → проблема захоронения

Искусственная радиоактивность n Радиоактивные загрязнения – аварии, ядерные взрывы…. Примеры: Хиросима (1945), Чернобыльская АЭС (1988), Фукусима. Проблема захоронения РАО и ЯТ (с подводных лодок, АЭС, реакторов. . ) → создание подземных хранилищ (коллектор – проницаемая порода, экран – непроницаемая n<1%

Биотические свойства

Биологическая активность грунта БА - способность грунта создавать благоприятные условия для биоты Показатели (прямые и косвенные): Количество особей на единицу массы грунта n “Дыхание” грунта - выделение CO 2 за счет дыхания микроогранизмов 1) Низкая БА – скальные грунты 2) Средняя БА – лессы, супеси, суглинки, выветрелые скальные 3) Высокая БА – почвы, сапропели, торфа, свалочные грунты, пески n

Биологическая поглотительная способность n n n Способность потреблять из внешней среды, взаимодействующей с грунтом, различные компоненты Биота потребляет различные элементы → грунт обогащается элементами Коэффициент КБП= содержание элемента в золе органики / кларковое содержание в земной коре P, S, Cl, J – высокий КБП Si, Al, Fe – низкий КБП

Биоагрессивность (биокоррозия) Способность биоты разлагать взаимодействующие с грунтом материалы. Организмы, питающиеся металлами, вызывают биокоррозию.

Физико-механические свойства Свойства, которые проявляются при взаимодействии грунта с внешними нагрузками.

n n Деформационные Прочностные Реологические Динамические ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА Ф-М СВОЙСТВА n Геологические (состав, строение, пористость, влажность) n Условия нагружения (скорость и направление приложения нагрузки, размер образцов

Виды испытаний Р Р Одноосное сжатие Одноосное растяжение Объемное сжатие Сдвиг Нагрузки: статические, динамические

Деформационные свойства Р ДЕФОРМАЦИЯ – изменение формы и размеров образца, при нагрузках меньше критической L – Абсолютная деформация L L L = L Относительная деформация

Деформации Упругие (обратимые) Скальные грунты Пластические (необратимые или остаточные) Дисперсные грунты общ= у+ ост у=0 – абсолютно пластичное тело ост=0 – абсолютно упругое тело

Закон Гука (закон упругости) σ σ = Еу ε tgα=Е Eу –модуль упругости (Юнга) ε σ - напряжение ε – относительная упругая деформация

Скальные грунты напряжение =P/S, МПа P/S Модуль упругости: на гр уз ка ра згр уз ка Eу= / у ост у общ Модуль общей деформации: Eобщ= / общ Относительная деформацция

Коэффициент Пуассона n μ= -ε поп/ε пр Для материалов 0 -0, 5 Для грунтов 0, 08 -0, 35 Р

Дисперсные грунты Р = 5 -6 кг/см 2 9 см 16 см Осадка ∆h 1955 -1983 г. г.

Компрессионные испытания n Компрессия – уплотнение грунта ступенчатой нагрузкой без возможности бокового расширения P h 0 P ∆h e 0 Прибор - одометр e 1 вода. , газ ε=∆h/h 0

Компрессионная сжимаемость P 1. Коэффициент сжимаемости a= e/ [МПа-1] e, n 2. Компрессионный модуль деформации е 0 e 1 Компрессионная кривая e 2 ∆σ = 1+e 0 Eок= a ∆ε 3. Модуль общей деформации 1 2 Еок>Ео Eo= Eok*β Пески – 0, 8, супесь– 0, 7, суглинок 0, 5, – глины – 0, 4

Сильносжимаемые a>1 МПа-1 Практически несжимаемые a<0, 01 МПа-1 Влияние минерального состава e, n торф смектит гидрослюда каолинит дробленый кварц

Влияние дисперсности e, n глины суглинки супеси пески

Структурная прочность e, n стр Коагуляционные связи – наибольшая сжимаемость; точечные – меньшая; цементационные – наименьшая сжимаемость

Просадочность лессов n e, n Резкое уменьшение объема грунта при его замачивании: а) под действием собственного веса; б) под нагрузкой замачивание e 0 Относительная просадочность εпр= А h. А-h. B h 0 Δе – коэф. макропористости до 1 м! В доуплотнение σ P природ + вес сооружения Грунт просадочный εпр≥ 1%

Классификация грунтов по просадочности (ГОСТ 25100 -2011)

Зависимость просадочности от давления при замачивании ε 3 2 1 1. Набухающие лессы 2. Просадочные при замачивании при дополнительной нагрузке 3. Просадочные под действием собственного веса – классические лессы σ зам Начальное просадочное давление - минимальное давление, при котором проявляются просадочные свойства Начальная просадочная влажность - минимальная влажность, при которой проявляются просадочные свойства

Меры борьбы n n Взрывы для уплотнения Предварительное замачивание котлованов Нагнетание жидкого стекла в трещины Обжиг

Прочностные свойства Одноосное сжатие Разрыв Всестороннее сжатие Сдвиг Характеризуют поведение грунта при нагрузках больше критических, с разрушением

Прочность на одноосное сжатие P, кг - нагрузка σc=P/S [МПа, кг/см 2] S – площадь

хрупкое пластичное Скальные: Магматические, метаморфические > 100 МПа Осадочные – 10 -100 МПа Дисперсные: Лессы, сухие глины 0. 5 -1 МПа Факторы: состав, строение, типы контактов, пористость, плотность, влажность,

Прочность при растяжении P σt=P/S [MПа, к. Па] σt < σ c В 5 -20 раз

Водопрочность РАЗМЫВАЕМОСТЬ Размягчаемость (скальные грунты) Размокаемость (дисперсные грунты)

n Размягчаемость – снижение прочности скальных грунтов при взаимодействии с водой Коэффициент размягчаемости: Kразм= σсв/σс Kразм=0÷ 1 >0, 75 – неразмягчаемые < 0, 75 - размягчаемые σсв>5 МПа – скальные; σсв<5 полускальные

n Размокаемость - разрушение дисперсных грунтов при замачивании в спокойной воде n t; V и характер размокания

Морозостойкость n Способность водонасыщенной горной породы выдерживать циклическое замораживание и оттаивание Kм=σсм/ σc Морозостойкие Км≥ 0, 75 Неморозостойкие Км<0, 75 (после 25 циклов)

Сопротивление сдвигу Касательное (сдвиговая сила Нормальное напряжение G

касательное Нормально е напряжение ↓ P, H 20 G σn t tпр – предельное касательное напряжение

Закон Кулона t tпр = σn tgφ+C Опасная область φ С φ – угол внутреннего трения С - сцепление. Безопасная область σn Для расчета устойчивости склонов, откосов, бортов карьеров и т д.

Сопротивление сдвигу Нормальное напряжение τ Касательное напряжение σn Схема испытания (одноплоскостной срез)

Абс. деф.

Влияние структурных связей скальные грунты С=10 -20 МПа, φ=40 -700 t песок С > 0, φ=30 -400 глина С=0, 01 -0, 05 МПа, φ=5 -300 σ

Влияние сложения t Ненарушенное сложение Нарушенное σ

Влияние влажности (консистенции) глины t W 1 твердая W 1 < W 4 W 2 W 3 W 4 σ текучая φ=1 -50

Влияние минерального состава глины t W=const каолинит гидролюда смектиты σ

Пески (влияние W) φ φmax φmin Wmmв Wc Wo W, % Песок под водой

Условия испытаний n n Неконсолидированно-недренированное (быстрый сдвиг) Консолидированно-дренированное (медленный сдвиг) t Медленный сдвиг Быстрый сдвиг σ

Разжижение песков – разрушение структурных связей и переход в текучее состояние (плывуны) при Sr>0. 9 Причины: динамическая нагрузка, повышение УГВ, увеличение напора подземных вод… n n n n n Последствия: Значительная осадка сооружения Погружение сооружения в разжиженный грунт Всплытие участков трубопроводов, разрывы трубопроводов Частичный выпор свай, мостовых опор Выпор грунта из-под фундамента На склонах - оползни разжижения Оползание грунтов на подводных склонах → (разрушение береговых сооружений) Прорывы разжиженных грунтов из тела дамбы Аварии на буровых

Н. Зеландия, 2011

Реологические свойства

Реологические свойства n n n Реологические свойства характеризуют поведение грунта под нагрузкой во времени Консолидация – сжатие грунта постоянной нагрузкой во времени Выполняется для оценки скорости осадки сооружений на водонасыщенных высокопористых глинистых грунтах и

Кривая консолидации водонасыщенного глинистого грунта t t 1 Sмгн I Sф 1. Мгновенная осадка 2. Первичная консолидация (фильтрационная) – отжатие воды 3. Вторичная консолидация – ползучесть скелета, более плотная упаковка II S (осадка), мм tф- период первичной консолидации

Параметры консолидации 1) tф - период первичной консолидации Пески – десятки мин – первые часы Суглинки – первые сутки (до недели) Тяжелые глины – первые месяцы до полугода (до нескольких лет) Факторы: состав, дисперсность, концентрация раствора, обменные катионы 2) Степень консолидации θ= t/ ∞ 100% отношение деформации в данный момент времени к конечной деформации - 3) Коэффициент консолидации – характеризует скорость уплотнения грунта Сv=Kф (1+е)/arв [см 2/с] Кф – коэффициент фильтрации, е – коэф. пористости, а – коэф. сжимаемости, r – плотность воды К/обл. , пески 10 -2 -10 -3 см 2/с. Глины- 10 -5 -10 -6 см 2/с

Изменение микростроения глинистого грунта при консолидации (структурная перестройка) Хаотическая микротекстура Дальние коагуляционные контакты Частично ориентированная Ориентированная Ближние коагуляционные контакты

Реологические свойства Быстрое нагружение Медленное нагружение σс мг σдл Упругие деформации Хрупкое разрушение σмгc=30 МПа Ползучесть, течение σдл <5 МПа время

Геологические факторы, влияющие на ф-м свойства: n n n n Вещественный состав Строение Структурные связи Пористость, трещиноватость Плотность Влажность Температура Концентрация и состав поровых растворов

Показатели Частные (индивидуальные) Обобщенные Нормативные Ан Расчетные Ар=Ан/Кнг

Обобщенные (нормативные) Среднеарифметическое значение Среднеквадратичное отклонение Коэффициент вариации

ИГ элемент (ИГЭ) ИГЭ – однородная часть массива по возрасту, генезису, составу, состоянию, свойствам

Корреляция Состав, строение, W, n – свойство Свойство - свойство Коэффициент корреляции (-1 ÷ 1) – мера зависимости между двумя величинами r>0, 9 весьма тесная, 07 -0, 9 тесная, 0, 7 -0, 5 - слабая

Классификации грунтов

Классификации грунтов n n Общие Частные Региональные Отраслевые

Общая классификация грунтов Царство ↓ Класс (по характеру структурных связей) ↓ Группа (по характеру стр. связей с учетом прочности) ↓ Подгруппа (п генезису) ↓ Тип (по составу) ↓ Вид (наименование грунта) ↓ Разновидность (по количественным показателям состава и свойств)

Грунты Царство Класс Группа Природные Скальные Искусственные (Антропогенные, техногенные) Дисперсные Мерзлые - Связные - Скальные - Полускальные - Несвязные (сыпучие) - Скальные промерзшие - Дисперсные промерзшие - Ледяные

I. Класс скальных грунтов (с жесткими связями химической природы) Группа Полускальные Скальные σcв>5 МПа σ cв< 5 МПа Магматические (силикатные) Подгруппа (по генезису) Метаморфические (силикатные) Осадочные (силикатные, карбонатные, сульфатные. галоидные) Вулканогенноосадочные

II. Класс дисперсных грунтов Группа Подгруппа (по генезису) Тип (по составу) Несвязные Связные Осадочные Вулканогенноосадочные Минеральные Органоминеральные Органические Минеральные

II. Класс дисперсных грунтов Несвязные Связные ВИДЫ (НАИМЕНОВАНИЕ 0 Крупнообломочные n Валунные и глыбовые Галечниковые и щебнистые Гравийные и дресвяные Глинистые и пылеватые Глинистых частиц: § М Песчаные § § Супеси (3 -10%) Суглинки (10 -30%) Глины (>30%) ОМ Илы, сапропели, заторфованные грунты О ГОСТ 25100 -11 СНи. П 2. 01 -83 Торф Классификации В. В. Охотина, Н. А. Качинского, ГОСТ 25100 -11

III. Класс мерзлых грунтов (Геокриология) Мерзлые ГРУППА Скальные промерзшие Дисперсные промерзшие Наличие льда Т<0 Зона ММП и сезонного промерзания Ледяные

Царство искусственных грунтов - Техногенно измененные (бывшие природные, хим. состав изменен > 15% Грунты, закрепленные растворами, загрязненные грунты) - Техногенно переотложенные (насыпные, намывные, отвалы, вскрышные породы) - Техногенно образованные Отходы производственной деятельности – рудо- и нефтеперерабатывающих комбинатов Свалочные грунты Культурный слой Распространены на урбанизированных территориях - в пределах промышленных комплексов, городов, на территории горно-добывающих предприятий

Класс дисперсных грунтов üНесвязные üСвязные (сыпучие)

Крупнообломочные грунты (частиц > 2 мм более 50%) n n n Валунные и каменистые (глыбовые) (>20 см) Галечниковые и щебнистые (4 -20 см) Гравийные и дресвяные (2 мм -4 см) Состав обломков – горные породы С заполнителем (песчано-глинистый) или без

We= 2 -3 - 25 -30% n Степень влажности: <0, 5 маловлажные, 0, 5 -0, 8 – влажные, >0, 8 водонасыщенные Плотность: 1, 7 -1, 9 г/см 3 (без заполнителя), 2, 1 n -2, 2 (с заполнителем) Пористость <40% Высокая водопроницаемость (сотни м/сут) Слабосжимаемы (заполнитель повышает) Прочность выше, чем у песчаных и глинистых. φ 40 град, С~0.

Песчаные грунты

Пылеватые грунты (лессовые) üЛессовые üЛессовидные

ИГ особенности лессов n n n Генезис – континентальные Залегание – покровное Возраст - Q Грансостав: >50% тонкопесчаные частицы (0, 05 -0, 1 мм) + крупнопылеватые (0, 01 -0, 05 мм); глинистых < 16% В природе – в агрегированном состоянии Вещественный состав: кварц, полевые шпаты; + глинистые минералы, карбонаты, слюда, гипс, соли, аморфный кремнезем Скелетный тип структуры зерно Минеральная пленка Кварц, ПШ Точечные контакты (переходные) + соли

Свойства лессов: n n n n n We 5 -25% (~Wg) ρs=2, 6 -2, 74 г/см 3, ρd=1, 3 -1, 6 г/см 3 n=45 -60%, Ip=4 -10; размокаемость; просадочность (при W<15 -20%); Е=2 -3 – 50 -55 МПа, а = 0, 05 -0, 67 МПа-1 Φ =5 -31 0; С=0 -0, 05 МПа

Просадочность лессов n Резкое уменьшение объема грунта при его замачивании: ( под действием собственного веса или под нагрузкой) e, n e 0 О замачивание εпр= А В σ зам Относительная просадочность доуплотнение σ h. А-h. B h 0 Грунт просадочный εпр≥ 1% Разрушение структурных связей: точечные контакты → коагуляционные

Метод одной кривой Метод двух кривой e, n e 0 e, n О замачивание e 0 А В σприр. + быт. Уплотнение сухого грунта доуплотнение σ “+” Более точный, отражает реальные условия “-” Определение только при одном давлении водонасыщенный грунт σ “-” Не соответствует реальным условиям “+” Можно оценить просадочность при разном давлении

Наиболее просадочные (под действием собственного веса): n>50 -60% Пылеватые частицы (глинистых мало) We~Wg n n n Зависимость просадочности от давления при замачивании ε 1. Набухающие лессы 2. Просадочные при замачивании при дополнительной нагрузке 3. Просадочные под действием собственного веса – классические лессы 3 2 1 σ зам

МЕРЫ БОРЬБЫ С ПРОСАДОЧНОСТЬЮ Цели: n n n Уменьшение n (уплотнение) Повышение W Увеличение прочности структурных связей

Уплотнение трамбованием или взрывами n 1) Трамбование: 3, 5 тонн “баба” (с 3 м Природная ρск 1, 3 -1, 35 г/см 3 n 12 -16 раз) ρск до 1, 55 -1, 6 г/см 3 2) Взрывы (по сетке) - возникает зона уплотнения

Предварительное замачивание котлованов вода Зона замоченного просевшего грунта (2 -5 м) Скважины и взрывы Комбинированное: замачивание + взрывы

Техническая мелиорация n n Вяжущие вещества: силикатизация (жидкое стекло), битумизация, смолизация Обжиг

Строение лессовых толщ n n n n Однородные, неслоистые Наличие погребенных почв Прослои песка и гравия Наличие макропор и пустот Конкреции (карбонаты, гипс, марганец) Столбчатая отдельность (в верхней части) Хорошо держат стенки (~50 м) Мощность до 100 -130 м. Душанбинская впадина – мощность просадочной зоны 30 -35 м.

Этапы формирования лессов n n 1. Накопление слоя пылеватого осадка (один слой – 515 мм) 2. Преобразование осадка в ходе раннего субаэрального диагенеза в а) просадочный или б) непросадочный грунт 3. Накопление толщи а) просадочных или б) непросадочных грунтов, с дальнейшем преобразованием в просадочные 4. Консервация просадочности

Теории формирования просадочности I. Сингенетические üЭоловая üДелювиальная üПролювиальная II. Эпигенетические üРегрессивного литогенеза üПрогрессивного литогенеза Н. Я. Денисов, А. В. Минервин, Е. М. Сергеев, В. Т. Трофимов

I. Сингенетические теории H 20 1. 1 -1, 5 м Эоловая теория (Н. Я. Денисова) 1 -ый слой 2 -ый слой 1. Слой пылеватого осадка n>50%, сцепления нет 2. Переменное увлажнениевысыхание, формирование контактов, упрочнение, превращение в породу 3. Поверхность толщи поднимается Высокая W, малая прочность, но и малое давление Низкая W, высокая пористость высокая прочность → формируется просадочность Источники пыли: 1) окраины пустынь; 2) перегляциальные зоны

Графическая модель уплотнения и формирования просадочности (по Н. Я. Денисову) n n Аб – водонасыщенный грунт уплотняется и подсыхает Бв – доуплотнение (под весом слоя нового грунта) Вг – усадка и уменьшение пористости Де – образование недоуплотненной породы

II. Эпигенетические теории (разуплотнение изначально непросадочной породы) 1. Теория криогенного выветривания (Минервин А. В. ) Средние суглинки (непросадочные): n=35 -40%; ρ=1, 8 -1, 9 г/см 3 река Многократное промерзание → вода – лед - увел V → разрушение структурных связей → увеличение пористости → разуплотнение

е, n Б А В Увеличение пористости за счет криогенного разуплотнения Уплотнение водонасыщенного грунта Давление

3. Модель формирования эпигенетической просадочности аллювиальных лессовых отложений (по Н. Я. Денисову) n n n Аб – уплотнение водонасыщенного осадка поймы Бг – переход к террасе, подсыхание, упрочнение Дополнительное давление (d, p отложения, нагрузка от сооружения) пойма терраса

4. Элювиальная теория n Выветривание → увлажнение → набухание → усадка…. → разуплотнение 5. Почвенная теория (Докучаев) εпр

Сравнение свойств дисперсных грунтов

Пластичность Разновидность глинистых грунтов Число пластичности Ip, % Супесь Суглинок Глина 1 ≤ Ip < 7 7 ≤ Ip < 17 Ip 17 ГОСТ 25100 -2011

Удельная поверхность (So, м 2/г) Глины > суглинки> супеси>пески > к/ обл

Липкость L, кг/см 2 глина суглинок супесь песок W, %

Набухаемость Wsw εsw глины суглинки глины пески время

Высота капиллярного поднятия H Глины – 6 -8 м, до 12 м к. п. Суглинки – 3 -4 м Супесь – 1 -1, 5 м Пески до 1 м tк. п. . t

Скорость капиллярного поднятия песок супесь суглинок глина t

Фильтрационные свойства Глины < 5*10 -5 м/сут – водонепроницаемые Пески 0, 5 - 50 м/сут – слабо- и водопроницаемые Галечники >50 м/сут – сильно водопроницаемые

Компрессионная сжимаемость e, n глины суглинки супеси пески

t Сопротивление сдвигу К/обл. Пески Глинистые грунты σ

Удельная поверхность (So, м 2/г) Глины > суглинки > супеси> пески>к/ обл.

Липкость L, кг/см 2 глина суглинок супесь песок W, %

Набухаемость Wsw εsw глины суглинки глины пески время

Высота капиллярного поднятия H Глины – 6 -8 м, до 12 м к. п. Суглинки – 3 -4 м Супесь – 1 -1, 5 м Пески до 1 м tк. п. . t

Скорость капиллярного поднятия песок супесь суглинок глина t

Фильтрационные свойства Глины < 5*10 -5 м/сут – водонепроницаемые Пески 0, 5 - 50 м/сут – слабо- и водопроницаемые Галечники >50 м/сут – сильно водопроницаемые

Компрессионная сжимаемость e, n глины суглинки супеси пески

t Сопротивление сдвигу К/обл. Пески Глинные грунты σ