Раздел 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Раздел 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Происхождение, условия формирования и зерновой состав различных видов грунтов

Грунтами мы называем горные породы, залегающие в поверхностной части земной коры. Все виды грунтов можно разделить на три основные группы:

1) грунты типа твердого тела (скальные и полускальные);

2) грунты типа сыпучего тела (крупнообломочные, песчаные);

3) грунты типа связанного тела (глинистые).

К скальным грунтам относятся магматические, метаморфические, осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. Свойства скальных грунтов изучают в курсе " Механика горных пород".

В механике грунтов в основном изучают физические и механические свойства нескальных грунтов: крупнообломочных, песчаных и глинистых.

По своему происхождению и условиям формирования грунты разделяются на континентальные и морские отложения.

К континентальным отложениям относятся: элювиальные, залегающие в месте первоначального их возникновения; делювиальные, располагающиеся на склонах той же возвышенности, где они возникли, и перемещаемые только под действием силы тяжести и атмосферных вод; аллювиальные, переносимые водными потоками на значительные расстояния и образующие мощные слоистые толщи; ледниковые, образовавшиеся в результате действия ледников – валунные глины и суглинки (морены); водно-ледниковые – пески и галечники; озерно-ледниковые – ленточные глины, суглинки и супеси; эоловые, которые представляют собой продукты физического выветривания горных пород пустынных областей, переносимые воздушными течениями – лессовые грунты и пески дюн и барханов.

К морским отложениям относятся толщи дисперсных глин, органогенных грунтов ракушечников, органо-минеральные образования – илы, заторфованные грунты, различные пески и галечники.

Скальные грунты при работе под нагрузкой подчиняются обычным законам сопротивления материалов. В связи с этим в механике грунтов принято называть грунтами дисперсные (измельченные) тела, связи между отдельными частицами которых либо отсутствуют, либо обладают прочностью, значительно меньшей, чем прочность самих частиц.

При рассмотрении свойств грунтов следует различать их крайние разновидности – грунты типа песков и грунты типа глин. Между песками и глинами существуют промежуточные разновидности грунтов – супеси, суглинки. Свойства грунтов этих разновидностей зависят от содержания в их составе песчаных и глинистых частиц.

Фактические свойства песков и глин различны: глина пластична, а песок непластичен; при увлажнении глина переходит сначала в пластичное состояние, а затем – в текучее, а песок никогда не обладает свойством пластичности. При увлажнении глина набухает, а при высыхании дает усадку; песок этими свойствами не обладает; глина практически водонепроницаема, а песок обладает фильтрационной способностью и тем большей, чем крупнее размеры песчаных частиц; глина сильно сжимаема и деформации в ней протекают медленно; песок сжимается быстро, но незначительно. Такое различие свойств песков и глин объясняется их различным составом. Частицы, относящиеся к песчаным или глинистым, различаются по крупности, по форме, по минеральному составу. Крупность песчаных частиц колеблется от 2 до 0, 05 мм. Глинистые частицы имеют размер менее 0, 005 мм. Между указанными граничными размерами 0, 05 - 0, 005 мм находятся пылеватые частицы.

Песчаные частицы обладают зернистой формой (зерно имеет размеры одного порядка во всех направлениях), поэтому песчаные грунты обладают жесткостью; глинистые частицы имеют форму пластинчатую, чешуйчатую, игольчатую, что придает глинистым грунтам повышенную упругость.

Песчаные частицы представляют собой продукт механического разрушения скальных пород; глинистые частицы образовались в результате изменения химического состава при выветривании минералов, слагающих скальные породы.

На свойства глин сильно влияет вода, заполняющая поры - промежутки между частицами. В глинистых грунтах между частицами малых размеров действуют огромные по удельной величине силы молекулярного притяжения, придающие глинам связанность. Вода, заполняя поры, играет роль среды, в которой эти силы притяжения развиваются.

Размеры частиц, составляющих грунт, во многом определяют его свойства. Содержание в грунте частиц различной крупности, выраженное в процентах от общего веса сухого грунта, характеризует зерновой (гранулометрический) состав грунта. Для суждения о зерновом составе грунт делят на фракции, включающие частицы соответствующих размеров. По содержанию фракций классифицируют грунт.

Для определения зернового состава песчаных грунтов пользуются методами механического анализа, т.е. выделения из грунта путем рассева на ситах отдельных фракций и определения отношения веса каждой фракции к общему весу взятой навески грунта. В соответствии с ГОСТ 25100-95 крупнообломочные грунты и пески подразделяются по гранулометрическому составу на разновидности (табл.1.1).

При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40% или глинистого заполнителя более 30% общей массы воздушно сухого грунта к наименованию крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния.

Таблица 1.1

Разновидности грунтов	Размер зерен, частиц, диаметром свыше, мм	Содержание зерен, частиц, % по массе
Крупнообломочные: валунный (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый)		Свыше 50
галечниковый (при неокатанных гранях – щебенистый)		Свыше 50
гравийный (при неокатанных гранях – дресвяный)		Свыше 50
Пески: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	0, 50 0, 25 0, 10 0, 10	Свыше 25 Свыше 50 Свыше 50 75 и выше Менее 75

Степень неоднородности гранулометрического состава (показатель неоднородности) C_u определяется по формуле

, (1.1)

где d₆₀, d₁₀– диаметры частиц, которых в грунте содержится соответственно 60 и 10% (по массе) частиц, мм.

По степени неоднородности гранулометрического состава C_u крупнообломочные грунты и пески подразделяют на однородный грунт (C_u £ 3) и неоднородный грунт (C_u > 3).

Для определения гранулометрического состава глинистых грунтов используют пипеточный и ареометрический методы [19].

При помощи ситового анализа можно выделить фракции до 0, 1 мм.

Изучением влияния зернового состава на свойства грунта и изысканием методов проведения зернового анализа занимались многие ученые, в основном работающие в области дорожного строительства, и в их числе профессора Н.Н.Иванов, В.В.Охотин, А.Н.Сабенин и др.

Наиболее широко распространена классификация глинистых грунтов по зерновому составу, предложенная проф.В.В.Охотиным. Эта классификация носит название 3-членной, согласно положенному в ее основу принципу выделения трех основных групп фракций (табл.1.2):

1) глинистой, с частицами размером менее 0, 005 мм;

2) пылеватой – 0, 005 - 0, 05 мм;

3) песчаной – 0, 05 - 2 мм.

Таблица 1.2

Наименование грунта	Содержание частиц, % по весу
глинистые	пылеватые	песчаные
Тяжелая глина Глина Тяжелый суглинок Средний суглинок Легкий суглинок Супесь Песок Песок пылеватый Пылеватый грунт	> 60 60-30 30-20 20-15 15-10 10-3 < 3 < 3 < 3	– – – – – < 20 20-50 > 50	< 3 Больше, чем пылеватых

Примечание. Если пылеватых содержится больше, чем песчаных, то к названию грунта добавляется слово “пылеватый”.

Содержание глинистых и песчаных частиц придает грунтам свойства, описанные выше. Пылеватые частицы ухудшают свойства как глинистых, так и песчаных грунтов: для первых они уменьшают связаность, пластичность, повышают водопроницаемость, а для вторых увеличивают сжимаемость, придают подвижность при водонасыщении.

Согласно ГОСТ 25100-95 глинистые грунты по гранулометрическому составу и числу пластичности подразделяются на следующие разновидности (табл.1.3): супесь, суглинок, глина.

Таблица 1.3

Разновидность глинистых грунтов	Число пластичности, I_п	Содержание песчаных частиц (2 - 0, 05 мм), % по массе
Супесь: песчанистая пылеватая	От 1 до 7 включ.	50 и более Менее 50
Суглинок: легкий песчанистый легкий пылеватый тяжелый песчанистый тяжелый пылеватый	Свыше 7 до 12 включ. То же Свыше 12 до 17 включ. То же	40 и более Менее 40 40 и более Менее 40
Глина: легкая песчанистая легкая пылеватая тяжелая	Свыше 17 до 27 включ. Свыше 17 до 27 включ. Свыше 27	40 и более Менее 40 Не регламентируется

Мелкие частицы грунта – пылеватые, глинистые – способны образовывать агрегаты, в которых роль цементирующего вещества выполняют соли или коллоиды; агрегаты могут образовываться также под влиянием сил электрического притяжения. Наличие стойких агрегатов может способствовать созданию ложного представления о якобы незначительном содержании тонких фракций и повышенном – более крупных фракций.

Именно поэтому зерновой состав глинистых грунтов не может служить определяющим для присвоения ему наименования, особенно если в этом грунте содержится большое количество коллоидов. Созданные коллоидами ложные агрегаты могут быть легко приняты за пылеватые частицы, хотя их свойства совершенно отличны от пыли. Таким образом, данными о зерновом составе глинистых грунтов для их классификации можно пользоваться лишь ориентировочно.

Виды воды в грунтах

В грунтах всегда содержится некоторое количество воды, целиком или частично заполняющей трещины и поры между частицами.

Состояние влаги в грунте может быть твердым (лед), жидким (вода) и газообразным (пар). Вся влага, в любом состоянии, находится в постоянном физическом и химическом взаимодействии с частицами грунта.

Содержащиеся в грунте воды впервые были классифицированы В.Богдановым в 1889 г. Позже, в 1918 г., классификация вод в грунте была предложена А.Ф.Лебедевым, разработавшим на основе экспериментальных исследований стройную теорию состояния и поведения грунтовых вод. Исследования свойств воды были продолжены и значительно расширены нашими современниками А.А.Раза, Б.В.Дерягиным, Б.Ф.Рельтовым.

При температуре выше 0⁰С в грунтах можно различать следующие виды воды:

- кристаллизационная, или химически связанная, вода;

- водяной пар;

- гигроскопическая вода;

- пленочная вода;

- капиллярная вода;

- гравитационная вода.

Кристаллизационная, или химически связанная, вода входит в состав кристаллических решеток минералов. Она может быть удалена при прокаливании и, по существу, представляет собой составную часть вещества, слагающего частицы грунта.

Водяной пар заполняет пустоты грунта, свободные от воды; он перемещается из областей с повышенным давлением в области с низким давлением; конденсируясь, способствует пополнению грунтовых вод.

Гигроскопическая вода притягивается частицами грунта из воздуха и конденсируется на их поверхности. Количество гигроскопической воды зависит от свойств вещества грунта и от влажности воздуха. Высушенный грунт во влажном воздухе будет увеличиваться в весе до тех пор пока не будет достигнута влажность, соответствующая максимальной гигроскопичности, имеющей приблизительно следующие значения: для песка – около 1%; для пыли – около 7% от веса сухого вещества грунта; для глины – около 17%.

Гигроскопическая вода может перемещаться в грунте, переходя в парообразное состояние, и может быть удалена только высушиванием.

Пленочная вода удерживается на поверхности грунтовых частиц силами молекулярного притяжения. Влажность грунта, соответствующая максимальной толщине молекулярных пленок воды, называется максимальной молекулярной влагоемкостью. Молекулы пленочной воды притянуты и удерживаются на поверхности грунтовой частицы огромными по удельной величине силами электрического притяжения.

Пленочная вода не подчиняется законам гидростатики и гидродинамики и перемещается от частиц с большой толщиной оболочки к частицам с меньшей толщиной оболочки независимо от взаиморасположения этих частиц. Большая вязкость пленочной воды обусловливает очень медленное ее перемещение в грунте. Количество пленочной – молекулярно-связанной – воды и ее свойства сказываются на физико-механических свойствах грунта.

Рассмотренное нами ранее взаимодействие между твердыми частицами грунта (дисперсной фазой) и жидкостью (дисперсной средой) позволяет изобразить схему взаимодействия молекулярных сил в системе твердая частица+вода (рис.1.1).

Рис.1.1. Схема расположения молекул воды около отрицательно заряженной частицы грунта (а) и график сил взаимодействия между поверхностью частицы грунта и молекулами воды (б):

1 – прочносвязанная вода (адсорбированная);

2 – рыхлосвязанная вода;

3 – свободная вода

Из приведенной схемы видно, что наибольшие силы притяжения действуют непосредственно на поверхности частицы, вызывая образование слоя прочносвязанной воды; с удалением от поверхности частицы силы притяжения ослабевают и вода переходит в состояние рыхлосвязанной; там, где силы притяжения частицы перестают действовать, вода находится в свободном состоянии.

Прочносвязанная вода, как показали исследования, проведенные Б.В.Дерягиным, находится в особо твердом состоянии, она, по существу, объединяется с системой твердых минеральных частиц.

Для физики и механики грунтов большое значение имеет вода рыхлосвязанная. Ее плотность, вязкость и температура замерзания отличны от свободной воды и тем значительнее, чем меньше толщина пленок. Неподвижностью этого вида воды в узких порах объясняется низкая водопроницаемость и медленная сжимаемость тонкозернистых грунтов.

Пленочная вода может быть удалена из грунта путем испарения.

Капиллярная вода поднимается в грунте по свободным канальцам, образованным взаимосообщающимися порами или удерживается в них в подвешенном состоянии.

Высота поднятия капиллярной воды определяется подъемной силой менисков, величина которой зависит от смачиваемости грунта, размеров пор и свойств воды (ее температуры, степени минерализации).

Результирующее действие капиллярных сил условно рассматривают как силу поверхностного натяжения менисков, удерживающих столб воды.

Как известно из формулы Лапласа, подъемная сила мениска обратно пропорциональна радиусу кривизны, равной радиусу капилляра:

, (1.2)

где a – поверхностное натяжение воды, равное 7, 7 мг/мм. Например, при диаметре пор в мелком песке d = 0, 01 см и радиусе r = 0, 005 см сила капиллярного натяжения q=0, 03кг/см², т.е. незначительна по величине. Для глины при r =0, 00025 см q =0, 6 кг/см², а при r = 0, 00001 см q = 15 кг/см².

Капиллярная влага в грунте может находиться в разобщенном состоянии (на стыках зерен), в подвешенном состоянии (не связанная с уровнем грунтовых вод, удерживаемая натяжением менисков) и в подпертом состоянии (непосредственно над уровнем грунтовых вод).

Сила q вызывает поднятие воды до того момента, пока вес поднятого столба воды высотой h_max не уравновесится подъемной силой мениска:

, (1.3)

где D – удельный вес воды, отсюда

. (1.4)

Рассмотренные закономерности капиллярных явлений свойственны пылеватым и глинистым грунтам со значительными ограничениями. Высота максимального капиллярного поднятия в грунтах практически достигает 2...3 м, тогда как по вышеприведенной формуле при диаметре капилляров менее 0, 005 мм высота должна быть в сотни раз больше.

На самом же деле, как показали исследования проф.А.В.Думанского [3], при размере пор 10^-7 см и менее образование капиллярных менисков невозможно, т.к. вся вода, содержащаяся в порах, находится под влиянием гораздо больших сил – сил молекулярного притяжения частиц грунта. Поэтому капиллярные явления более распространены в грунтах пылеватых, супесчаных, суглинистых, чем в глинах.

Гравитационная вода не подвержена действию молекулярных и менисковых сил и полностью подчиняется законам гидростатики и гидродинамики. Подчиняясь действию сил тяжести, она свободно движется в грунте от большего напора к меньшему и пополняет грунтовую воду. В грунтах крупнозернистых почти вся вода гравитационная, в плотных глинах большей частью связанная.

Если вода не заполняет полностью поры грунта, то свободную часть пор занимает газ. В грунтах песчаных, крупнообломочных поры открыты и состав газа, содержащегося в порах, не отличается от состава атмосферного воздуха. В глинистых грунтах, в связи со своеобразной формой частиц и наличием вязкой пленочной воды, поры могут оказаться закрытыми и защемленный в них газ по своему составу может значительно отличаться от окружающего воздуха.

Защемленные газы повышают упругость грунта, снижают его водопроницаемость и значительно осложняют все явления, происходящие на грани раздела сред. Кроме того, вода, заполняющая поры грунта, всегда содержит некоторое количество растворенного газа, способного выделяться в виде пузырьков при изменении давления или температуры.

Рис.1.4. Зависимость консистенции глинистых грунтов

от влажности (а) и числа пластичности (б)

Верхний предел пластичности или предел текучести W_L – это влажность грунта при переходе из пластичного состояния в текучее (рис.1.4).

Предел пластичности определяют в лаборатории с помощью специальных приемов. Влажность на пределе раскатывания W_p определяется по влажности раскатываемого жгутика глинистого грунта диаметром 3 мм, который начинает растрескиваться поперечными трещинами.

Влажность на пределе текучести W_L соответствует условию, когда балансирный конус массой 76 г при угле заострения 30⁰ погружается в глинистый грунт в течение 5 секунд на глубину 10 мм (до риски).

Число пластичности – это разность между значениями пределов пластичности:

J_p = W_L - W_p. (1.21)

Число пластичности характеризует степень глинистости грунта, т.е. содержание глинистых частиц и их свойства (гидрофильность, степень дисперсности). Чем выше степень глинистости грунта, тем большее количество воды может быть удержано грунтом с сохранением им пластичного состояния. Таким образом, число пластичности характеризует качество слагающего грунта и позволяет по его значению установить вид глинистого грунта и присвоить ему наименование.

Классификация глинистых грунтов по числу пластичности и содержанию глинистых частиц приведена в табл.1.5.

Таблица 1.5

Грунт	Число пластичности J_p, %	Содержание глинистых частиц d < 0, 005 мм, %
Супесь Суглинок Глина	> 17	3-10 10-30 > 30

Сравнение естественной влажности грунта с влажностью на границе пластичности (раскатывания) и текучести позволяет устанавливать его состояние по показателю текучести J_L:

. (1.22)

По показателю текучести J_L глинистые грунты подразделяют на следующие разновидности:

Супесь: твердая.......................................... J_L пластичная......................................... текучая...............................................	менее 0 от 0 до 1 включительно свыше 1
Суглинки и глины: твердые.......................................... J_L полутвердые...................................... тугопластичные................................. мягкопластичные.............................. текучепластичные............................. текучие..............................................	менее 0 от 0 до 0, 25 включительно свыше 0, 25 до 0, 50 включительно свыше 0, 50 до 0, 75 включительно свыше 0, 75 до 1 включительно свыше 1

1.5.2. Об оптимальной плотности скелета грунта

и оптимальной влажности

При отсыпке земляного полотна дорог, устройстве искусственно улучшенных оснований, возведении насыпей при планировке территорий приходится уплотнять грунты, в том числе и пылевато-глинистые, катками или другими способами. При этом повышается прочность, жесткость грунта, понижается его водопроницаемость и капиллярность, ускоряется консолидация глинистых грунтов. Максимальная степень уплотнения необходима в верхних слоях насыпи, в которых возникают наибольшие напряжения от внешних нагрузок. Эффект уплотнения оценивается величиной достигнутой плотности скелета грунта. Затрачивая одну и ту же работу на уплотнение грунтов с разной влажностью, получают различные значения величины плотности скелета грунта.

Влажность, при которой достигается наибольшая плотность скелета грунта при стандартном уплотнении, называется оптимальной W_опт.

В лабораторных условиях W_опт и определяют, используя прибор и метод СоюздорНИИ. Метод заключается в последовательном уплотнении в одинаковых условиях проб одного и того же грунта при последовательном увеличении его влажности. Грунт насыпают в стакан прибора слоями примерно 0, 3 высоты емкости и уплотняют каждый слой ударами груза массой 2, 5 кг, падающего с высоты 30 см. Число ударов равно 1/3 общего количества ударов, для песков и супесей оно принято равным 75, а для остальных грунтов – 120. Проводят не менее 5 опытов при разной влажности грунтов. После уплотнения в каждом опыте определяют влажность W_i и плотность r_d_i и строят график зависимости r_d=f(W).

Рис.1.5. Зависимость r_d(W) от оптимальной влажности и максимальной плотности грунта

По графику (рис.1.5) определяют влажность, при которой стандартным уплотнением достигается наибольшая плотность скелета грунта r_d. Эта влажность называется оптимальной влажностью W_опт, так как грунт при этой влажности при одной и той же затрате энергии уплотнен до наибольшей плотности скелета грунта. Наибольшее значение r_d, достигнутое при стандартном уплотнении и оптимальной влажности, называется оптимальной плотностью скелета грунта .

Раздел 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

12 3 4 5 Следующая ⇒