Основные физико – механические свойства грунтов.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Физические свойства грунтов согласно, ГОСТ -25100-95 оцениваются по следующим характеристикам :

Плотность грунта - это отношение массы грунта включая массу воды в ее порах, к занимаемому этим грунтом объему

p=m/V ,

p- плотность грунта ,г/см, кг/м, т/м

m- масса породы с естественной влажностью и сложением, г

V- объем, занимаемый породой, см

Плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта, исключая массу воды его порах, к объему твердой части этого грунта и изменяется для всех горных пород в пределах 2.61 до 2.75 г/см

p_s=(m-m_в ) /V_т ,

p_s- плотность частиц грунта, г/см, кг/м ,т/м

m_в- масса воды в порах грунта ,г

V_т-объем твердой части грунта, см

Удельный вес грунта - характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры и может быть рассчитан

γ=pg ,

γ- удельный вес грунта, н/м

p-плотность грунта

g-, ускорение свободного падения равное 9.81 м/с

Плотность скелета породы, или плотность сухого грунта p_d, представляет собой отношение массы минеральных частиц породы (твердой части грунта ) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

p_d= (m-m_в)/V , V-объем, занимаемый породой, см

p_d – плотность скелета породы (плотность сухого грунта), г/см, кг/см, т/м

m-m_в=m₁- масса сухого грунта ,г

Плотность скелета породы – величина более постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по данным определений плотности и влажности по формуле : р= p_d /1+ 0.01W ,

W- влажность породы ,%

р-плотность породы, г/см;

p_d- плотность скелета породы, г/см

Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса сухого грунта к объему его твердой части и рассчитывается следующим образом:

γ _s = γ g

γ -удельный вес сухого грунта ,Н/м

Пористость породы это отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры

n=(V_n /V) 100

V_n - объем пор в породе ,см

V - объем породы, см

Пористость можно выразить через значение плотности грунта:

n=( (p_s – p_d) / p_s ) 100 n=(1- p_d / p_s ) 100

Приведенной пористостью или коэффициентом пористости называется отношение объема пустот (пор) к объему твердой части (скелета грунта) и выражается в долях единицы по формулам: e=n / 1 –n e=(p_s – p_d) / p_d

ВЛАЖНОСТЬ.

Под естественной (природной) влажностью грунта W, понимается количество воды, содержащееся в порах грунта в его природном состоянии.

Она может менятся в зависимости от климатических и гидрогеологических условий, колебаться на протяжении года или суток в известных пределах, но при этом всегда остается характерной для данного генетического типа грунта.

Весовой или абсолютной влажностью называют отношение массы воды к массе к массе абсолютно сухого грунта, выраженное %.

Полная влагоемкость – это такая влажность, при которой все поры заполнены водой

e-коэффициент пористости ; p-плотность частиц грунта

W= n /p_d W = ep_w / p_s

Влажность в зоне аэрации непостоянна. Влажность в зоне водонасыщения практически не меняется и количественно соответствует пористости грунта. Эта влажность и называется полной влагоемкостью, а грунт , имеющий такую влажность, водонасыщенным.

Под гигроскопической влажностью W_г понимают влажность воздушно-сухого грунта.

Степенью влажности или относительной влажностью называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношение объема воды к объему пор грунта

S_r=(W p_s (100-n )) / n Sr = W p_s /e p_w

S- степень влажности породы, %

W- естественная влажность породы , %

p_s - плотность частиц породы , г/см

n - пористость , %

p_w - плотность воды , г/см

е - коэффицент пористости

Максимальная молекулярная влагоемкость Wм.м.в. показывает количество воды, которое удерживается в породе силами молекулярного сцепления, после того как вся гравитационная вода стечет из породы. Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов способом высоких колонн.

Разностью между полной и максимальной влагоемкостью определяют водоотдачу грунта

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Способность грунтов свободно отдавать воду под действием силы тяжести называется водоотдачей. Глинистые грунты имеют плохую водоотдачу, т. к. значительная часть влаги остается в них в виде связанной воды. Пески обладают хорошей водоотдачей, численно равной объему их пор, но истинные плывуны имеют водоотдачу практически равную нулю. Их можно заставить отдавать воду только с помощью электроосмотического осушения. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы и пески от 25- 43%

Водонасыщение - свойство дисперсных грунтов впитывать и удерживать в себе свободную воду. Скорость и количество удерживаемой воды зависит от величины удельной поверхности, гидрофильности, гран.состава, пористости (пески насыщаются значительно быстрее, чем глины.

W=масса поглощенной грунтом воды / масса абсолютно сухого грунта

D- дефицит водонасыщения это разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью.

Водопроницаемость - способность грунтов пропускать через себя гравитационную воду через поры ( рыхлые и глинистые грунты ) и трещины (скальных гр.) Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации – это скорость движения подземных вод при гидравлическом градиенте равном единице ( см/сек, м/ч, м/сут)

По величине К_ф породы делятся на:

Водопроницаемые - К_ф больше 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы, закарстованные известняки, доломиты)

Слабопроницаемые (полупроницаемые) - К_ф от 1- 0.001 м/сут (супеси, суглинки, лесс, торф)

Непроницаемые (водоупорные) - К_ф менее 0.001 м/сут (глины, тяжелые суглинки, не трещиноватые массивные кристаллические и сцементированные осадочные породы )

ВОДНО - ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

(пластичность, липкость, усадка, набухание, размокание )

Изменение влажности грунта с переходом ее через характерные границы ведет к изменению состояния грунта или к возникновению в нем новых свойств.

Пластичность, липкость, усадка, набухание, размокание – характерны для песчано-глинистых грунтов и называются специфическими.

Пластичность – способность глинистого грунта под действием внешних усилий менять свою форму без разрыва сплошности, а после прекращения действия усилия сохранять полученную форму. Пластичные свойства обуславливаются наличием пленочной воды и проявляются только между двумя определенными значениями влажности. Минимальное значение влажности называют нижним пределом пластичности или границей раскатывания W_p , а максимальное – верхним пределом пластичности или границей текучести W_i . Нижним пределом пластичности называется такая влажность при которой грунт переходит из пластичного в полутвердое или твердое состояние. Верхним пределом пластичности называется такая влажность при которой грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Разность между W_p и W_i называют числом пластичности I_p

По числу пластичности песчано-глинистые грунты разделяются:

Супесь от 0.01 до 0.07

Суглинок от 0.07 до 0.17

Глина более 0.17

Консистенция J_L – отражает физическое состояние гунтов и показывает степень подвижности глинистых частиц в зависимости от влажности этих грунтов.

J_L= ( W-W_p) \ (W_i – W_p) По значениям J_L с помощью таблиц устанавливают в каком состоянии находится грунт:

супеси: Твердые J_L менее 0 Полутвердые J_L от 0 до 0.25

Тугопластичные J_L от 0.25 до 0.5

Мягкопластичные J_L 0.5 до 0.75

Текучепластичные J_L от 0.75 до 1.0

Текучие J_L более 1.0

глины и суглинки: твердые J_L менее 0

пластичные J_L от 0 -1.0

текучие J_L более 1.0

С инженерно-геологической точки зрения консистенция грунта косвенно связана с его механическими свойствами. Один и тот же грунт в твердой консистенции обладает меньшей сжимаемостью, чем в пластичной.

При влажностях в диапазоне от текучепластичной до мягкопластичной консистенции грунт обладает липкостью и его труднее разрабатывать механизмами. В текучепластичной и текучей консистенции его прочность падает до нуля.

Липкость (г/см) – способность связного грунта при определенной влажности налипать на различные предметы. Липкостью обладают грунты, которые находятся в пластичном состоянии и обуславливаются наличием пленочной воды, а в почва также гидрофильного гумуса. Величина липкости зависит от гранулометрического и химико-минерального состава грунтов, а также от влажности. Наиболее сильно липкость проявляется в глинистых и пылеватых грунтах. Чаще всего это солонцеватые, а также гумусированные грунты. Супеси и пески липкостью не обладают.

Усадка уменьшение объема глинистого грунта при высыхании, это процесс обратный набуханию. Высыхание грунтов может происходить за счет испарения воды и наблюдается часто в откосах оросительных и осушительных каналов, в глинистых и заторфированных грунтах после удаления из нее воды. При усадке грунт растрескивается, теряет монолитность, прочность, в нем появляются трещины, что может повлечь за собой увеличение его водопроницаемости. Поверхность земли опускается и сооружения, стоящие на этом месте, начинают неравномерно деформироваться. Внешнее давление ведет к ускорению процесса усадки и тем самым способствует его развитию. Усадка ведет к переходу глинистого грунта из пластичного состояния в полутвердое и твердое, причем объем грунта уменьшается до определенного предела, после которого остается постоянным. Влажность, соответствующая постоянному объему грунта, называется пределом усадки или

величиной относительной усадки, изучают ее в лаборатории.

Е_sh = (h_n –h_d ) \ h_n

h_n- высота образца грунта с W_max

h_d -высота после высыхания, определяют влажность грунта на пределе усадки W_max мощность грунтов , которые подвержены усадке H_sh

Наибольшая величина усадки бывает в глинах, меньше в суглинках. Благодаря усадочному процессу в глинистых грунтах возникают напряжения, которые имеют разное значение в разных точках массива вследствие различия их исходной влажности, составе, структурных связей. Когда разница в этих напряжениях достигает величин, превышающих сопротивление разрыву грунтов, в массиве образуются трещины усадки, которые могут быть глубокими и в ряде случаев, когда мощность слоя глинистых грунтов меньше этой глубины, слой рассекается системой трещин полностью, до подстилающих пород, как например озерно-речные отложения в дельте рек Терека и Сулака

Набухание – свойство глинистых грунтов увеличиваться в объеме при взаимодействии с водой. Вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются до уровня Wммв, частицы грунта раздвигаются и расклиниваются и объем грунта возрастает (например минерал монтмориллонит). Набухание обусловлено наличием в грунте гидрофильных минералов, значительным содержанием глинистой фракции, высокой удельной поверхностью. Основными факторами, определяющими величину и характер набухания, является:

1) состав и строение грунтов

2) химический состав и концентрация водного раствора. Чем выше концентрация раствора и чем больше в нем ионов-коагуляторов, тем меньше набухание. Опыты показывают, что большее набухание при равных условиях будет при замачивании пресной водой

3) величина внешнего давления, под которым находится грунт. Внешнее давление препятствует набуханию и может свести его на нет.

Набухание сопровождается увеличением пористости и влажности грунта; при этом консистенция его становится более мягкой (грунт переходит из твердого состояния в полутвердое, тугопластичное и даже пластичное)

Набухание - процесс, обратный усадке; он приводит к ослаблению внутренних связей в грунте, уменьшению его прочности, увеличению сжимаемости, уменьшению водопроницаемости. Набухание происходит тем легче, чем слабее связи между частицами, но если прочность структурных связей равна или больше давления набухания, которое развивается в результате расклинивающего действия воды, то грунт набухать не будет. Давление набухания развивается в глинистом грунте как реакция внешней нагрузке, передаваемой на грунт от сооружения или веса вышележащей толщи грунта и приводит к деформациям этих сооружений вследствие неравномерного поднятия разных участков фундамента т.е. давление набухания превышает давление от сооружения.

Однако, способность глинистых грунтов поглощать воду не беспредельна и характеризуется определенной величиной влажности, которая называется влажностью набухания W_sw. Влажность набухания соответствует такому состоянию грунта, при котором прекращается процесс поглощения жидкости. Величина набухания будет тем больше, чем больше разница между начальной влажностью и влажностью набухания т.е. чем суше исходный глинистый грунт, тем выше его набухание . Отсюда вывод: если природная влажность грунта равна или больше влажности набухания, то грунт набухать не будет. Способностью набухать обладают многие глины, тяжелые суглинки и лессовидные суглинки Украины.

Способность грунтов к набуханию определяется в лаборатории, устанавливается величина относительного набухания:

E_sw= ( h_н - h) / h h-начальная высота образца

E_sw менее 0.04 грунт набухающий h_н- высота после набухания

0.04 до 0.08 слабонабухающий

0.09 до 0.12 средненабухающим

более 0.12 сильнонабухающим

При строительстве на набухающих основаниях применяют следующие мероприятия:

Водозащита вокруг зданий и сооружений для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод; надземные водонесущие коммуникации помещают в специальные каналы.

Устранение свойств набухания в пределах всей толщи путем предпостроечного замачивания. Для промачивания грунтов используют дренирующие скважины. Грунт провоцируется на набухание и в таком виде должен находиться весь период эксплуатации объекта. Но при этом понижаются прочностные и деформационные характеристики. В связи с этим рекомендуется строить объекты с небольшими нагрузками.

Устройство компенсирующих подушек под всем сооружением из слоя уплотненного грунта. (песка, суглинка, глины) Это позволяет уменьшать до допустимого предела величину давления набухания.

Размокание называют способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой терять связанность и разрушаться- превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Скорость размокания породы определяет степень ее устойчивости под водой. Глинистые породы размокают медленнее, чем песчаные. Наличие в породе гумуса и карбонатов замедляет размокание. Подвержены к быстрому размоканию лессы и лессовидные суглинки, солонцы, пылеватые грунты. Многие грунты перед размоканием предварительно набухают, после чего теряют сплошность, превращаясь в бесструктурную массу. Некоторые грунты при размокании растрескиваются и расслаиваются на отдельные чешуйки.

Плотные суглинки и четвертичные, а особенно древние глины, не размокающие в стоячей воде, разрушаются при длительном воздействии текучей воды, т.е. размываются. Размываемость пород со слабыми структурными связями обуславливается сопротивлением их размоканию.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Свойства, проявляющиеся в грунтах под влиянием приложения к ним внешних усилий и приводящие либо к изменению объема грунта, либо к нарушению его прочности и плотности, носят название механических. Они подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.

1. Деформационные свойства

грунтов проявляются в изменении формы и объема при воздействии на грунт внешних усилий, не приводящих к разрушению. Как рыхлые, так и связанные грунты при приложении к ним нагрузок уплотняются, т.е. уменьшают свою пористость и изменяют форму. Деформации происходят под действием напряжений, возникающих в грунте после приложения внешней нагрузки. Они тем значительнее, чем больше величина прилагаемой нагрузки, и зависят от первоначального состояния грунта: его вида, структуры, пористости, влажности. В дисперсном грунте эти деформации имеют объемный характер, т.к. в первую очередь связаны с уменьшением объема грунта, находящегося в напряженном пространстве.

Деформации возникают, как правило, в результате воздействия на скелет породы нормальной составляющей нагрузки и характеризуют способность грунта к уплотнению, которая внешне выражается осадкой грунта под сооружением.

В зависимости от прилагаемых к грунтам нагрузок выделяется три фазы изменения состояния грунтов: уплотнение, сдвиг, выпирание. Из графика следует, что при некоторых значениях нагрузок от 0 до Р₁ происходит уплотнение грунта, в результате которого деформация носит линейный характер и осадка со временем затухает. При увеличении нагрузки от Р₁ до Р₂ в грунте помимо деформаций уплотнения начинаются деформации локальных сдвигов, что приводит к нарушению линейного характера деформации - она продолжает равномерно нарастать. Таким образом, в начале II стадии возникают предпосылки нарушения прочности грунта.

При дальнейшем нарастании нагрузки до Р₃ локальные сдвиги получают развитие во всей толще грунта основания, деформация нарастает без увеличения нагрузки и в конце этой фазы происходит выпирание грунта из-под сооружения под действием сдвигающих сил и его разрушение.

Это явление характеризует прочностные свойства дисперсных грунтов, и обусловлено сопротивлением грунтов сдвигу и выражается либо в потере прочности основания, либо в нарушении устойчивости откосов земляных сооружений.

Такое разделение деформаций достаточно условно, т.к. в любом массиве грунта под действием внешних сил возникают как сближение частиц, так и элементарные сдвиги. Однако, при преобладании процесса уплотнения происходит деформация сжатия (осадка), а при повсеместном развитии сдвигов – потеря прочности и разрушение грунта - см. рис.4

Сжимаемость. В процессе производственной деятельности грунты, как основания, материал или среда для сооружений могут подвергаться различным силовым воздействиям: давлению, уплотнению, скалыванию, растяжению, кручению, а чаще всего к их уплотнению и сжатию. Исследование деформационных свойств заключается в изучении характера сжимаемости, величины и скорости этого процесса, которые необходимы для расчетов осадок оснований сооружений и допускаемых давлений на основание.

Необходимый объем грунта, подвергающейся нормальному давлению ( например от сооружения), сжимается в направлениях большего из действующих напряжений и расширяется в перпендикулярном к нему направлении. Боковому расширению препятствует сопротивление окружающего грунта, поэтому сжатие протекает при ограниченной возможности бокового расширения.

Сжимаемость в условиях невозможности бокового расширения грунта называется компрессией. Компрессия может быть представлена в виде одной из трех математических зависимостей: между пористостью и давлением, сжатием и давлением, влажностью и давлением. Графически эти зависимости могут быть представлены в виде компрессионных кривых вида: е =f ( P )

Эта кривая, ( см рис 5,г ) характеризующая свойства исследуемого грунта, позволяет : а) классифицировать грунты по величине сжимаемости б) устанавливать величину структурной прочности грунта в) определять модуль общей деформации грунта

Рассматривая компрессионную кривую (см рис 7) нетрудно заметить, что каждому значению нормального давления Рсоответствует определенное значение коэффициента пористости е. В том случае если изменение давления будет незначительным, это приведет к малому изменению коэффициента пористости , что позволяет нам принять участок кривой с ординатами е₁ и е₂ за прямую.

Тогда, как это видно треугольника КЛМ, отношение разности ординат е₁ - е₂ к разности абсцисс Р₂ - Р₁ будет соответствовать или

tgα= =a

Чем больше а на данном участке исследуемой компрессионной кривой, тем, очевидно, более сжимаемым является грунт при тех же значениях удельного давления. Величина а называется коэффициентом сжимаемости.

Второй характеристикой дисперсных свойств грунтов является модуль деформации Е_0, который применяется при расчетах осадки оснований.

1. Е₀ = β

а-коэффицент сжимаемости для интервала соседних нагрузок Р₂ - Р₁

β-безразмерный коэффициент, зависящий от относительной поперечной деформации грунта, для суглинков 0.5; глин 0.4; супесей 0.7; песков 0.8 .

Ес- модуль сжимаемости, представляет собой величину относительного сжатия грунта под действием нагрузки Р и показывает величину сжатия образца или осадку слоя грунта Н ( мм ) мощностью 1м при приложении к нему внешней нагрузки Р

Ес=1000 ( ΔН / Н)

-высота образца или мощность слоя, м

Компрессионные свойства грунтов зависят от:

-- структуры грунта: раздельнозернистые грунты сжимаются быстрее, а конечные осадки их меньше, чем у глинистых грунтов; в последних процесс сжатия протекает часто очень медленно;

-- минерального состава и содержания тонкодисперсной фракции. Наличие минерала монтмориллонита понижает их сжимаемость за счет явления набухания, а наличие органических примесей и органно-минеральных соединений. Наоборот, резко увеличивает сжимаемость грунтов.

-- типа и характера внутренних связей: чем прочнее связи, тем меньше сжимаемость;

--физического состояния грунта – плотности сухого грунта и естественной влажности: чем выше степень влажности, тем длительнее протекает процесс сжатия глинистых грунтов

--темпа приложения нагрузок, который обуславливает полное или неполное завершение этапов сжатия

Как уже упоминалось деформация глинистых грунтов происходит в несколько этапов, а поэтому после приложения нагрузки на грунт проходит некоторое время, прежде чем наступит уплотнение грунта и еще больший промежуток времени потребуется на завершение процесса сжатия при данной ступени нагрузки. Процесс уплотнения глинистых грунтов во времени при постоянной нагрузке называется консолидацией

Длительность этого процесса зависит от: а) структурной прочности грунта б) водо-проницаемости в) вязкости и ползучести (реологических свойств грунта)

О скорости и характере консолидации дают представление кривые консолидации т. е. кривые зависимости осадки от нагрузки во времени, которые строят для каждой ступени нагрузки исследуемого грунта. Они бывают двух видов. Кривые первого вида (см. рис 12а) показывают зависимость величины сжатия ( ΔН) от времени при степенях нагрузки Р , Р ……Рп. Кривые второго вида показывают изменение степени консолидации во времени.

Степенью консолидацииU называют отношение величины сжатия в данный момент времени к полной величине сжатия при завершившейся консолидации

U= ΔHt \ ΔH

ΔHt - сжатие или осадка образца в данный момент времени

ΔН - полное сжатие при завершившейся консолидации

В глинистых грунта находящихся в двухфазном состоянии, т.е. водонасыщенных, консолидация протекает медленно: месяцами, годами, десятками лет. Скорость уплотнения определяется скоростью отжатия воды из пор грунта, а она обусловлена коэффициентом фильтрации и ее расчет обосновывается теорией фильтрационной консолидации.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: