книги / Механика грунтов

								Т а б л и ц а			5
		Плотность песчаных грунтов
						Плотные		Средней	Рыхлые
	Виды песчаных грунтов (пески)							плотности
							при коэффициенте пористости е
Гравелистые,		крупные		и средней		<0,55		0,55—0,65	> 0,65
крупности ..............................................
М ел ки е .................................................						< 0,60		0,6—0,70	> 0,70
Пылеватые ..........................................						< 0,60		0 ,6 -0 ,8 0	> 0,80
от н ос и т е ль ную			П Л О Т Н О С Т Ь				1 в , исходя из условия, что
1о	=0, когда песок находится					в	самом	рыхлом состоянии,			и
[ в	= 1, когда песок находится в самом плотном состоянии. При
этом относительная				плотность		определяется по формуле
				/о = —1						(13)
					емакс		емин
где	вмакс—коэффициент пористости грунта в самом рыхлом со­
	стоянии		(определяется				лабораторным способом при
	насыпании рыхлого сухого грунта в мерный сосуд);
	е — коэффициент пористости грунта в естественном										со­
	стоянии		(определяется по формуле						е =	—__
	причем Т с =				^ 5					Тс
	^МИц — коэффициент				пористости грунта в самом плотном
	состоянии (определяется для грунта, уплотненного
		до постоянного объема в металлической колбе путем
		вибрирования или многократного постукивания).
	Если е=емакс,		т. е. грунт в условиях естественного залега­
ния находится в рыхлом состоянии, то по формуле									(13)	полу­
чим I в =0;		если же		е=вмин,		т. е. грунт находится в плотном
состоянии,		по формуле			(13)	1 в	= 1. Приведенные		сопоставле­

ния показывают, что формула (13) полностью удовлетворяет поставленным вышеграницам относительной плотности. По­ скольку определения емакс и емин несколько условны, поэтому относительную плотность сыпучих грунтов, определяемую по формуле (13), следует рассматривать лишь как качественную характеристику.

Обычно песчаные грунты в зависимости от плотности разде­ ляются на следующие категории:

рыхлы е—при 1 в < — ;

3

с р е д н е й п л о т н о с т и — при 10 =

2_ з ;

п л о т н ы е — при	/	2	. 1
	1 о = -----г 1.
		3

В зависимости от плотности природных песков (включая и пылеватые) по нормам рекомендуются различные величины расчетных сопротивлений, причем для рыхлых грунтов расчет­ ное сопротивление вообще не нормируется, а рекомендуется определять его по результатам специальных исследований.

Пример 1. Определить относительную плотность песка, который в усло­

виях естественного залегания

имеет

объемный вес

7 =1,84

г)см3 при

влаж­

ности до=19,5%. Лабораторным путем определен

удельный

вес песка

7у=

=2,65 г/см3. Объемный вес сухого песка (скелета)

в самом рыхлом состоя-

нии 7с.макс~1’44 г/см3 и

в

самом

плотном

7с.мин = 1>58 г/см3.

Для

условий

естественного

состояния

7с =

7

1,84

—---

— 1,54

г/смь\

1+ ш

1 + 0 ,1 9 5

7у

7с

2,65 — 1,54

0,721.

7с

1,54

=

Для

самого

рыхлого состояния

Чс

7с.мин

2,65— 1,44

емакс —

—

1,44

— '

7с.мин

Для

самого

плотного

состояния

2,65— 1.58

емин —

Чу

7с.макс

= 0,677.

—

1,58

7с.макс

Подставляя

полученные

значения

коэффициента

(13), получим

г __

емакс— е

0,84 — 0,721

емакс

емин

0,84

0,677

Полученный результат показывает, что рассматриваемый грунт в усло­

виях естественного залегания находится в плотном состоянии.

Для определения соотношения плотности отдельных пластов

грунта

в условиях

их

естественного

залегания

применяется

з о н д и р о в а н и е

( п е не т р а ц ия ) ,

которое особенно

широко

распространено в зарубежной

практике *,

так как этот

способ

довольно дешевый.

м е т о д

зондирования, когда

Различают д и н а м и ч е с к и й

пенетрометр (обычно это конический наконечник, навинченный на буровую штангу) забивается в грунт на определенную глуби­

ну (около 30 см)	стандартным грузом со стандартной высоты1
1 К. Т е р ц а г и,	Р. Пе к . Механика грунтов в инженерной практике.
Госстройиздат, 1958.

падения, и с т а т и ч е с к и й метод зондирования, когда кониче­ ский пенетрометр на заданной отметке вдавливается в грунт, причем по динамометру, смонтированному на штанге, замеряет­ ся максимальное давление. Изменение давления при пенетрации по глубине скважины дает характеристику относительно плотно­ сти залегания грунтов 1. Следует указать, что в настоящее время больше применяется статическое зондирование по сравнению с динамическим2, и уже предпринимаются попытки связать по­ казатели статического зондирования с количественными харак­ теристиками механических свойств грунтов.

Консистенция связных глинистых грунтов

К связным грунтам относятся главным образом различные глины и суглинки. Для этих грунтов понятие относительной

плотности не имеет	смысла. Естественная	плотность с в я з н ы х
грунтов зависит от	их к о н с и с т е н ц и и	(густоты). В зависи­

мости от содержания большего или меньшего количества воды консистенция глинистых грунтов меняется в значительных пре­ делах и может быть текучей, пластичной или твердой. Отметим, что до настоящего времени достаточно обоснованных и простых показателей пределов консистенции грунтов не получено. Был предложен ряд отдельных характеристик, главным образом пла­ стичного состояния глин. Однако эти характеристики весьма условны и являются лишь качественными показателями.

Наиболее распространенными являются характеристики так называемых пределов Аттерберга. Но методы определения этих пределов также страдают субъективностью и условностью, что позволяет рассматривать их лишь как приближенные характе­ ристики и вызывает необходимость дальнейшей работы по оты­ сканию более точных и объективных показателей.

Консистенция связных грунтов по Аттербергу характеризует­ ся г р а н и ц е й т е к у ч е с т и и г р а н и ц е й р а с к а т ы в а н и я ( п л а с т и ч н о сти).

Г р а н и ц а т е к у ч е с т и соответствует такой влажности, при незначительном превышении которой грунт переходит в те ­ ку ч е е состояние.

Г р а н и ц а р а с к а т ы в а н и я (пластичности) соответству­ ет влажности грунта, при незначительном уменьшении которой пластичное тесто, приготовленное из грунта и воды, при раска-

1 В. А. Д у р а к т е , Я. Л. К о г а н , В. И. Ф е р р о н с к и й , С. И. Н о ­

с а л ь.* Полевые исследования плотности и влажности	грунтов.	Материалы
к IV Международному конгрессу по механике грунтов.	Изд-во	АН СССР,

1957.

2 Труды V Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению, Париж, 1961.

6 Н. А. Цытович

тывании в проволоку крошится, т. е. перестает быть пластичным. Граница текучести хют и граница раскатывания выража­ ются численно, как соответствующие влажности в процентах от

веса сухого грунта.

Многочисленные опыты показывают*, что границы конси­ стенции в высокой степени зависят от дисперсности и минерало­ гического состава грунта, формы и упругости его частиц и, осо­ бенно, от структуры. Как правило, величина границы текучести, определяемая по образцам естественной ненарушенной струк­ туры или в натуре, намного больше, чем определяемая по пере­ мятым образцам, что и необходимо учитывать при оценке грун­ тов с ясно выраженной структурой. Однако стандартные опре­ деления указанных границ, являясь чисто условными, рекомен­ дуют испытывать перемятые образцы грунта.

По ГОСТ предел текучести связных грунтов определяется по величине вдавливания под действием собственного веса стан­ дартного конуса весом 76 г и высотой 25 мм при угле заострения

в 30°. Влажность теста считается равной	г р а н и ц е т е к у ч е ­
сти, если описанный стандартный конус12	погружается в грун­
товое тесто на глубину 10 мм.

Более соответствующим природе вещей является испытание консистенции глинистых грунтов пластометром Ребиндера, при котором также вдавливается конус, но определяется сравнитель­ ная характеристика консистенции (как достигаемое при вдавли­ вание среднее напряжение сдвига на поверхности конуса в кг1ем2). Этот способ, однако, не стандартизирован.

Следует также отметить испытание конусом Бойченко3. Вес конуса 300 г; угол при вершине 30°; диаметр обоймы, в которую помещается испытываемый грунт, 50 мм. Влажность пробы, при которой конус погружается на 32 мм, соответствует границе те­ кучести, а влажность, соответствующая погружению на 4 мм,— границе пластичности (раскатывания). Испытания конусом Бой­ ченко дают более объективные показатели консистенции глини­ стых грунтов.

Граница раскатывания (пластичности) определяется путем раскатывания замешанного на дистиллированной воде глини­ стого теста в жгут (проволоку) толщиной 3 мм. Влажность, при которой жгут начинает крошиться, т. е. становится непластич­ ным, и определяет границу раскатывания4.

1	П. А. З е м я т ч е н с к и й . Глины СССР.				Изд-во АН СССР, 1935.
2 А. М. В а с и л ь е в .				Основы современной	методики и техники лабора­
торных определений физических свойств грунтов. Госстройиздат, 1953,						а
также	ГОСТ	5183—49	и	5184—49.	ЛГУ, № 2, 1948; Ученые	за­
3 П. О. Б о й ч е н к о .				Научный бюллетень
писки	ЛГУ,	№ 209,	1956.
4 ГОСТ 5183—49.

Если обозначить через			влажность, соответствующую пре­
делу	текучести, и	через	шр влажность, соответствующую пре­
делу	пластичности	(раскатывания), то разность между указан­

ными пределами, выраженными в процентах, будет называться

ч и с л о м п л а с т и ч н о с т и ,	или индексом пластичности / п:
/ П=	0УТ—®/р.
Если, например, шт=35%	и ш>р=20%, то / п = 15.

С увеличением содержания глинистых частиц в грунте число мельчайших упругих чешуйчатых частиц увеличивается и соот­ ветственно возрастает число пластичности. По числу пластично­ сти можно определить род грунта: глины обычо имеют число пластичности более 17, суглинки — от 17 до 7 и супеси —от 7 до 0. При очень жестком скелете (пески плывуны) число пла­ стичности равно нулю; такой грунт при усыхании сразу пере­ ходит из текучего состояния в твердое, а при погружении в во­ ду — из твердого в текучее, минуя пластичную консистенцию.

Если сравнивать естественную влажность грунта с граница­ ми текучести и пластичности, то будем иметь следующие основ­ ные случаи:

1) первый случай — и)>гюТ1 т. е. естественная влажность грунта больше границы текучести. В этом случае грунт пред­ ставляет вязкую жидкость;

2) второй случай— хи)т>хй)^>ш т. е. естественная влаж­ ность грунта по численному значению находится между пре­ делами текучести и пластичности. В этом случае грунт будет в пластичном состоянии;

3) третий случай — ш<шр, если влажность грунта меньше предела пластичности, то грунт будет находиться в твердом состоянии.

«Нормы и технические условия проектирования естествен­ ных оснований» рекомендуют вычислять для связных (глини­

стых) грунтов п о к а з а т е л ь к о н с и с т е н ц и и ,	который по
международному стандарту называется индексом	текучести:
П =	(14)
Если 1 0 1, грунт будет находиться в т е к у ч е м	состоянии;

при I ь < 0 (т. е. когда хю<хюр) грунт будет в твердом состоянии; промежуточная величина показателя консистенции (0<//.<1) будет характеризовать п л а с т и ч н о е состояние грунтов.

Различают следующие виды консистенции грунтов по СНиП 1-Б.1-62 при индексе текучести (показателе консистенции) //.; равном:

0	........................................... твердая
0,25 ..........................	• . . полутвердая
0,25—0,5 ...........................................	тугоп^астичная

0,25 0,75 ...........................................	мягко-пластичная
0 , 7 5 —1 ...........................................	текуче-пластичная
1 ............................................	текучая

Учитывая, что при определении границ консистенции струк­ тура образцов нарушается, то для структурных грунтов эти границы не будут в достаточной мере характеризовать их фи­ зическое состояние.

Отметим, что границы консистенции (густоты) для глини­ стых грунтов имеют столь же существенное значение, как для песчаных — относительная плотность. Так, глинистые грунты текучей консистенции как основания для сооружений будут не­ удовлетворительными, а грунты твердой консистенции, как пра­ вило, будут обладать значительной несущей способностью (по­ рядка 2,5—5 кг1см2).

Расчетные сопротивления грунтов по нормам назначаются в зависимости от относительной плотности и водонасыщенности песчаных грунтов, а также от консистенции и естественной уплотненности глинистых (связных) грунтов.

Таким образом, рассмотренные выше простейшие коэффици­ енты, характеризующие физическое с о с т о я н и е грунтов, поз­ воляют дать общую оценку грунтов как оснований для соору­ жений.

§ 6. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙ­ ЧИВЫХ ГРУНТОВ

Об устойчивости структуры грунтов

Всем грунтам присуща та или иная структура. Однако у некоторых грунтов, например галечных, структура сказывается на свойствах лишь весьма незначительно. Для таких грунтов, как мелкопесчаные и др., существенное значение будет иметь плотность упаковки зерен и, наконец, для грунтов связных осо­ бо существенное значение приобретает с т р у к т у р н а я с в я з ­ ность, обусловленная, как было рассмотрено ранее, водно­ коллоидными, цементационными и другими связями.

Название «структурно-неустойчивые» грунты, конечно, ус­ ловно, так как при одних воздействиях (различных для различ­ ного вида грунтов), когда структурные связи еще не наруша­ ются, грунты будут иметь вполне устойчивую структуру. При нарушении же структурных связей грунты будут обладать совсем иными свойствами, что без должного учета может при­ вести к полному разрушению сооружений, возведенных на этих грунтах.

В настоящем параграфе мы рассмотрим лишь такие виды грунтов, нарушение структуры которых наблюдается в обычных условиях при возведении гражданских и промышленных соору­ жений, если не приняты специальные меры к сохранению при­ родной структуры грунтов. Чтобы заострить внимание на та­ кого вида грунтах, мы и назвали их «структурно-неустойчи­ выми».

К структурно-неустойчивым видам грунтов мы относим: илы, структура которых легко нарушается при быстром возве­ дении на них сооружений и при обычных нагрузках вследствие малой прочности их структурных связей; л е с с о в ы е грунты., теряющие свою структуру и несущую способность при замачи­ вании под нагрузкой, и м е р з л ы е грунты, структура которых резко нарушается при оттаивании. Можно привести и ряд дру­ гих структурно-неустойчивых видов грунтов, как, например, ленточные глины, заторфованные грунты и пр., но в настоящем параграфе мы ограничимся рассмотрением особенностей физи­

ческих свойств только перечисленных	трех характерных	видов
с в я з н ы х структурно-неустойчивых	грунтов. Полный	анализ

поведения этих грунтов под действием внешних сил (нагрузок от сооружений) может быть сделан лишь при использований основных методов механики грунтов, изложенных в последую­ щих главах.

Отметим лишь, что для с ып у ч и х рыхлых грунтов с жест­ ким скелетом нарушение у с т о й ч и в о с т и с т р у к т у р ы мо­ жет привести к катастрофическим р а з ж и ж е н и я м их и к так называемым самопроизвольным осадкам. Это явление заклю­ чается в том, что массы насыщенных водой грунтов с жестким скелетом при определенных условиях изменяют свою струк­ туру, приобретают свойства жидкости и растекаются на боль­ шие расстояния. Как показали соответствующие исследования, изменение структуры песков возникает при некоторой «крити­ ческой» пористости, причем непрерывное равномерное движе­ ние при сдвиге также может привести скелетные грунты к раз­ жижению. Опыты показывают, что крупнозернистые пески во­ обще не разжижаются; для средних и мелких песков опасным является рыхлое их залегание. Однако механизм разжижения песков и возникновения внезапных осадков в настоящее время еще недостаточно изучен.

1 Появление очага внезапных осадок, по-видимому, связано с возникновением местных сдвигов, например при сотрясениях, взрывах и тому подобных воздействиях, которые нарушают устойчивость структуры грунта в данном месте. Вследствие местных нарушений структуры грунт, насыщенный водой и имеющий рыхлую структуру, быстро приобретает более плотное

сложение, причем уплотнение, начавшееся в одном месте, охва­ тывает все новые и новые области, а излишек воды разжижает грунт. Несомненно, на разжижение песков влияет и величина гидродинамического давления воды. Этот процесс можно по­ яснить на следующей схеме. Если представить грунт в виде ша­ ров одинакового размера, то насыпь их в наиболее рыхлом сложении имеет 48% пор, что соответствует коэффициенту по­

ристости е =0,91, тогда		как при	плотной укладке тех же ша­
ров под углом 60° к горизонту (каждый				шар	касается		других
шаров	в восьми точках)	насыпь	имеет	26%•	пор,	что	соответ­
ствует	коэффициенту пористости		е =0,35. Первая			неустойчивая

структура шаров при сотрясении или вследствии другой причи­ ны может перейти в более плотную, причем объем пор умень­ шится, и, если поры были заполнены водой, некоторое коли­ чество воды окажется излишним.

Приведенные данные показывают, что при возведении со­ оружений на рыхлых песках, имеющих неустойчивую структу­ ру, или на глинистых грунтах, подстилаемых рыхлыми песками, могут возникнуть неожиданные сдвиги и внезапные осадки.

В заключение отметим, что всякое нарушение устойчивости природной структуры или структурной связности грунтов (на­ пример, во время производства строительных работ) ведет к ухудшению свойств грунтов как оснований для сооружений, что вызывает необходимость учитывать следующие практические положения.

1. При прокладке всякого рода подземных сооружений, рытье котлованов, устройстве фундаментов и т. п. необходимо строительные работы производить так, чтобы не нарушать структуры грунтов. Всякое разрыхление и перемятие грунтов резко ухудшает свойства нарушенного слоя, что ведет к до­ полнительным, обычно не предусмотренным проектом осадкам сооружений, часто неравномерным. И, наоборот, умелое про­ изводство работ позволяет создать условия, более благоприят­ ные для службы возведенных сооружений.

'Для грунтов с неустойчивой структурой особо тщательно должны выполняться все мероприятия, обеспечивающие со­ хранность их природной структуры.

2. При изучении грунтов как оснований для сооружений кро­ ме определения показателей их основных физических свойств необходимо производить исследования структурной связности и общей устойчивости структуры грунтов (при замачивании просадочных грунтов и оттаивании мерзлых, сотрясениях рыхлых песчаных грунтов и т. п.).

Для установления влияния структурности данного вида грун­ тов на механические свойства рекомендуется основные показа-

тели механических свойств грунтов определять как при ненару­ шенной структуре образцов, хотя бы нескольких, так и после полного их перемятия (нарушенная структура). Отношение величины того или иного показателя механических свойств грун­ тов (например, относительной деформации при сжатии, сопро­ тивления сдвигу и пр.) для образцов естественной ненарушенной структуры к величине того же показателя, но определенного после полного нарушения структуры образца, будет характери­ зовать структурность данного вида грунта.

Количественным выражением структурности грунтов может служить степень (или индекс) чувствительности грунтов //?, равный отношению прочности грунта в ненарушенном состоя­ нии Я к его прочности в нарушенном состоянии Я \ т. е.

* г = § Г -	(15)
К

Значение / р для большинства глин 1 находится в пределах от 2 до 4, а для очень чувствительных неустойчивых морских глин — до 8.

Свойства илистых грунтов

Одним из структурно-неустойчивых видов грунтов являют­

ся и л и с т ы е		грунты,	структура	которых не обладает					до­
статочной прочностью и устойчивостью					и	может	быть		на­
рушена	действием д о б а в о ч н о г о			(сверх		природного)		д а в ­
л е н и я	(часто	весьма	незначительной		величины),		что	позво­

ляет отнести их к типу слабых малоустойчивых естествецных оснований. При ненарушенной структуре илистые грунты могут воспринимать некоторую нагрузку от сооружений; при нару­ шении же ее они становятся часто непригодными как основа­ ния для сооружений и требуют специальных мер по их упроч­ нению, уплотнению или закреплению.

Илистые грунты образовались в начальной стадии формиро-' вания коллоидно-глинистых осадков, откладывающихся в от­ носительно спокойной воде при одновременном протекании в них гидробиологических процесов. Отложение в воде глинйстых частиц способствует образованию губчатой и даже хлопьевид­ ной структуры осадков, а наличие гидробиологических процес­ сов — увеличению структурной связности и выделению газов, что обусловливает взрыхленность коллоидно-глинистых осад­ ков.

Влажность природных илов, как правило, больше влажности

при	границе	текучести (определяемой для	перемятых образ­
1	К. Т е р ц а г и, Р. Пе к . Механика грунтов		в инженерной практике,
Госстройиздат,		1958.

цов),	а коэффициент пористости		для суглинков	и супесей
е>1 и для глин		е>1,5, часто достигая еще большей величины1.
По	времени	существования илы	разделяются на	современ­

ные и древние, причем последние, хотя резко и не изменяют своей структуры, образовавшейся в начальной стадии их фор­ мирования, но являются более уплотненными и имеют несколь­ ко общую с т р у к т у р н у ю с в я з н о с т ь .

В зависимости от водной среды, в которой откладывались

илистые грунты,	различают илы п р е с н о в о д н ы е и мо р ­
ские. Морские	илы, сформированные в морской соленой во­

де, удерживают значительное количество молекул воды в связ­ ном состоянии, что обусловливает их достаточную прочность и устойчивость. Однако при изменении под действием геологи­ ческих процессов условий существования илов, когда они ока­ зываются на суше, происходит их постепенное расслоение, ад­ сорбционная способность уменьшается и может произойти вне­ запное разжижение масс глинистого грунта, приводящее к ка­ тастрофическим оползням.

Такими свойствами, например, обладают известные плывун­ ные глины Норвегии, хорошо описанные проф. Розенквистом2. Автору книги лично пришлось видеть результаты катастрофи­ ческого оползня морских плывунных илистых глин. Оползень произошел в 1954 г. близ г. Осло (Норвегия) в местности Уллензакер. Причем глины, внезапно приняв разжиженное состоя­ ние, в течение нескольких минут расползлись по площади не­ скольких квадратных километров, составляя с горизонтом угол всего в 2°. Анализ илистых глин в оползне показал наличие со­ лей в количестве 1 г на литр, тогда как содержание солей в илистых глинах неоползшей части долины составляло 8 г на литр. В другом месте (Бекелаге) глубинный оползень плывун­ ных илистых глин переместил часть липовой аллеи параллель­ но прежнему положению на 11 ж, причем деревья не были по- •валены и продолжали расти на новом месте.

Самым существенным явлением, возникающим в илистых грунтах под действием внешней нагрузки, как указывалось вы­ ше, является разрушение их структурных связей. Структурные связи в илах начинают разрушаться при относительно незначи­ тельных нагрузках, однако лишь при некоторой, вполне опре­ деленной для данного илистого грунта величине внешнего дав­ ления происходит лавинное (массовое) нарушение структурных связей, причем прочность илистого грунта резко снижается. Эта

1	Н.	О. Б о й ч е н к о ,	В. С. Б у д р и н .	Вестник Ленинградского универ­
ситета,		№ 10, 1955.	ТЬ Оёо1есЬг^ие,	№ 5, 1953; а Ыопу. Оеп1. 1овБ
2	I.	Ц о з е г ^ 1 П 5 { .
РиЫ.	9,	1955.