Классификация грунтов по происхождению

Происхождение грунтов

Магматические горные породы (скальные грунты) образовались при остывании магмы, а также в результате горообразовательных процессов. Вследствие физического и химического выветривания они постепенно превращались в рыхлые горные породы. Раздробленные частицы горных пород перемещались в пониженные части поверхности земли, где откладывались (по пути измельчаясь), образуя осадочные породы. В некоторых случаях при большом давлении и повышении температуры осадочные породы подвергались метаморфизму, так образовались метаморфические (скальные) породы. Если в процессе горообразования они оказались близко к поверхности земли, то под воздействием химического выветривания образовывали крупноскелетные или мелкодисперсные грунты.
Грунтами называют горную породу, используемую в строительстве в качестве:

ü Основания фундамента

ü Среды, в которой возводится сооружение

ü Материала для строительства

Грунтами строители называют верхние слои коры выветривания литосферы и относят к ним скальные, полускальные и рыхлые горные породы.
В большинстве случаев верхние слои земной коры сложены крупнообломочными, песчаными, пылевато-глинистыми, органогенными и техногенными грунтами. Ниже поверхности земли эти дисперсные грунты имеют почти повсеместное распространение. Поэтому в дальнейшем будем называть их грунтами и особо отмечать скальные и полускальные грунты.
Большая часть дисперсных грунтов образовалась в результате накопления продуктов физического и химического выветривания. Некоторые грунты возникли вследствие отложения органических веществ (торф и др.), а также в результате искусственной отсыпки или намыва различных материалов (техногенные отложения). В процессе физического выветривания образовались крупнообломочные и песчаные грунты. Результатом химического и частично биологического выветривания являются минералы, составляющие мелкодисперсную часть пылевато-глинистых грунтов.

Классификация грунтов по происхождению

По своему происхождению грунты подразделяются на:

Ø Магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;

Ø Осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные грунты;

Ø Метаморфические, которые образовались в результате действия на метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших давлений; они классифицируются как скальные грунты.

Например, магматические грунты разделяются на глубинные и излившиеся; осадочные сцементированные - на обломочные, биохимические и химические. Среди несцементированных грунтов выделяются крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, биогенные, почвы и т. п. Дальнейшее подразделение производится по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени его неоднородности, числу пластичности - на типы грунтов: (например, песок гравелистый, песок крупный и т. п. – для песчаных грунтов; супесь, суглинок, глина - для глинистых грунтов и т. д.). В пределах каждого типа по структуре и текстуре, а иногда по составу примесей грунты разделяются на виды (например, для песка крупного - плотный, средней плотности, рыхлый; для супеси, суглинка и глины - щебенистые, дресвяные, без примеси органики или с примесью органики и т. д.).

И, наконец, в пределах каждого вида по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию выделяются разновидности грунтов (например, песок крупный, влажный или насыщенный водой, засоленный и т. п.; суглинок щебенистый, тугопластичный и т. п.).

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмотренных характеристик грунтов. Во многих случаях обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его строительных свойств, используемые в предварительных расчетах. В хорошо изученных районах найденные путем классификации показатели часто оказываются достаточными для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений.

Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-82.

В пределах каждого класса грунты разделяются на группы по происхождению ( магматические, которые образуются при медленном остывании магмы в верхних слоях земной коры, а также при быстром остывании магмы на поверхности земли (базальты, порфиры), метаморфические, которые образуются в недрах земли из горных пород путем их перекристаллизации под воздействием высокого давления, высоких температур, газов горячих водных растворов (мрамор, сланцы), осадочные, которые образуются в рез-те выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения горных пород, вулкано-осадочные – образуются из продуктов дробления застывающей лавы, элювиальные – образуются в результате выветривания и представлены не перемещенными продуктами разрушения, техногенные – образуются в результате жизнедеятельности человека)

Состав грунтов. Характеристика основных составляющих грунтов. Механические грунтовые модели.

В большинстве случаев грунты состоят из трех составляющих: твердая (частицы минералов), жидкая (вода) и газообразная (воздух или газ), т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.

Твердые частицы грунта: минералы, не вступающие во взаимодействие с водой; минералы растворимые в воде; глинистые минералы; органическое вещество или гумус.

Жидкая составляющая грунтов. Кристаллизационная вода находится внутри частицы. Поровая вода заполняет поры в грунте. Жидкая составляющая состоит из прочносвязанной воды, рыхлосвязанной воды, свободной воды. Свободная вода делится на: гравитационную и капиллярную.
Механические грунтовые модели: Однофазный или сухой грунт. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед (пластичное тело). Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой.
В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества таких веществ в грунте (свыше 3% в песках и 5% в пылевато-глинистых грунтах), существенно отражается на его свойствах.

Криогенные связи – кристаллизационные связи, возникшие в мерзлых грунтах.

Цементационные связи – возникают в результате уплотнения грунтов.

Закон ламинарной фильтрации

Как показывают опыты, движение воды в порах грунта происходит в соответствии с законом ламинарной фильтрации.
Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид:

где - скорость фильтрации, или объем воды, проходящей через единицу площади поперечного сечения грунта в единицу времени; k_f — коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при гидравлическом градиенте i=1; i—гидравлический градиент, равный потере напора H₂ — Н₁ = Н отнесенной к пути фильтрации L:
i = (H₂ - H₁/L)
Закон ламинарной фильтрации (Дарси) формулируется так: скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту i.
Поскольку давление в поровой воде pw измеряется в килопаcкалях, напор выражается высотой столба воды:

H = p_ω/γ _ω

где γ _ω — удельный вес воды (кН/м³).
Коэффициент фильтрации измеряется в единицах скорости — обычно в сантиметрах в секунду или в сантиметрах в год (1 см/с ≈ 3·10⁷ см/год). Значение его может находиться в больших пределах в зависимости от гранулометрического состава и плотности грунтов. Для песков k_f = г·10^-1...r·10^-4 см/с; для супесей k_f = г·10^-3...г·10^-6 см/с; для суглинков k_f = г·10^-5...г·10^-8 см/с; для глин k_f =г·10^-7...г·10^-10 см/с (где г — любое число от 1 до 10). Указанные значения коэффициентов фильтрации относятся к монолитным изотропным грунтам.
Если принять среднее значение коэффициента фильтрации песка k_f = 10^-2 см/с и глин k_f = 10^-8 cм/с, то окажется, что при одном и том же градиенте за одно и то же время вода пройдет в песке путь в 10 км, а в глине — в 1 см.