Учебное пособие. Механика грунтов
.pdf10
пород инертными минералами сложены пески, крупнообломочные грунты и образующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты.
Растворимые в воде минералы, даже их малое содержание, оказывают существенное влияние на свойства грунтов. К ним относят галит NaCl, гипс CaSO4·2H2O, кальцит CaCO3 и др. Такие распространенные горные породы, как мрамор, известняк, гипс сложены растворимыми минералами.
Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно, поэтому такие грунты считаются надежными основаниями.
Кислые дожди и утечки кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамора и известняка. Также в грунтах встречаются нестойкие минералы, которые при взаимодействии с водой сильно повышают ее агрессию по отношению к бетону и металлу. Существуют грунты, у которых
всухом состоянии частицы скреплены растворимыми минералами. При их увлажнении происходит разрушение водорастворимых связей, и грунт может деформироваться даже под действием собственного веса (лессовые просадочные грунты).
Глинистые минералы выделяют в отдельную группу коллоидно-активных минералов. Они не растворимы в воде, но в силу своих чрезвычайно малых размеров обладают высокой коллоидной активностью. Даже малое
содержание глинистых частиц в общей массе грунта резко изменяет его свойства. К глинистым минералам относят каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженные свойства гидрофильности. Форма кристаллов глинистых минералов может быть игольчатая (аттапульгит) или пластинчатая (каолинит, монтмориллонит). В 1 грамме каолинита площадь поверхности всех частиц составляет около 10 м2,
в1 грамме монтмориллонита – 800 м2, тогда как площадь поверхности, например, 1 грамма песчаных частиц не более 0,05 м2. Существуют грунты, в частности богатые монтмориллонитом, обладающие способностью увеличивать свой объем при замачивании (набухающие грунты).
11
Минеральные частицы классифицируют по размеру на: крупнообломочные, размером крупнее 2 мм; песчаные, размером от 2 мм до 0,05 мм; пылеватые, размером от 0,05 до 0,005 мм; глинистые, размером менее 0,005 мм. Частицы менее 0,0001 мм называют коллоидными.
Органическое вещество у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а на глубине – в виде нефти, угля, природного газа. Активизация жизнедеятельности в грунте, как правило, снижает его прочность, отмирание живых организмов приводит к повышению прочности грунтов. Гумус, образующийся при отмирании растений и микроорганизмов, изменяет свойства грунта, в котором он содержится. Коллоидная активность гумуса выше, чем у глинистых минералов. Считается, что 1 % гумуса в этом отношении приблизительно равен 1,5 % глинистых частиц.
Свойства всех разновидностей грунтов, а особенно песчаных, пылеватых и глинистых, существенным образом зависят от содержащейся в них жидкой составляющей. Выделяют следующие состояния воды в грунте (рис. 3): кристаллизационная (химически связанная), связанная и свободная.
Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток и находится внутри частиц грунта. Связанная вода разделяется на прочносвязанную воду (слой из 1-3 молекул, окружающих глинистую частицу и притягивающихся к ней с большой силой), и рыхлосвязанную воду, тонким слоем примыкающую к прочносвязанной воде. Рыхлосвязанная вода почти в тысячу раз слабее притягивается к частице, чем прочносвязанная. Свободной водой называют гравитационную воду, перемещающуюся под действием собственного веса или перепада давлений, а также капиллярную воду, перемещающуюся под действием сил поверхностного натяжения менисков. Кристаллизационную и прочносвязанную воду можно отделить только выпариванием, причем при этом возможно разложение минералов и изменение свойств грунта.
12
Рыхлосвязанную воду можно отделить с помощью выдавливания, создавая давление до нескольких мегапаскалей, или с помощью центрифуги.
Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках.
Рис. 3. Схема взаимодействия частиц грунта с водой:
I – твердая частица; II – прочносвязанная вода; III – рыхлосвязанная вода; IV – свободная вода; 1 – частица; 2 – катион; 3 – анион; 4 – молекула воды
Предельная высота капиллярного поднятия в грунтах колеблется от 3,5 см (песок крупный) до 6,5 м (суглинок). В глинах высота капиллярного поднятия может отсутствовать вообще. В ходе промерзания глинистых грунтов возникает миграция воды из более толстых пленок (нижние слои грунта) в более тонкие (верхние слои грунта), что приводит к явлению морозного пучения грунтов.
Газообразные включения (пар, газы) всегда в том или ином количестве содержатся в грунтах и могут находиться в следующих состояниях: замкнутом (или защемленном), располагаясь в вакуолях (пустотах) между твердыми минеральными частицами, окруженными пленками связанной воды; свободном, когда газы (воздух) соединяются с атмосферой; растворенными в поровой воде.
13
Наличие пузырьков газов, как замкнутых, так и содержащихся в поровой воде, существенно сказывается на деформируемости грунтов, обусловливая сжимаемость поровой воды и увеличивая упругость грунта. Содержание же свободных газов (воздуха), соединяющихся с атмосферой, особого значения в механике грунтов не имеет, так как они практически не участвуют в распределении давлений между частицами грунта. При изменении давления и температуры, жидкость может выделяться из газа (конденсироваться) и, наоборот, газ может растворяться в жидкости. В грунтах могут содержаться и ядовитые газы (метан, сероводород, угарный газ), причем в слабопроветриваемых местах, например в котлованах, подвалах зданий и др. их концентрация может достичь пределов, опасных для жизни человека.
1.3. Структурные связи между минеральными частицами. Понятие о внутреннем трении в грунтах
Прочностные свойства грунтов зависят не сколько от прочности (очень большой) отдельных минеральных зерен, сколько от структурных связей между отдельными минеральными частицами и их агрегатами. Различают следующие основные виды структурных связей: водно-коллоидные (коагуляционные и конденсационные) – вязкопластичные, мягкие, обратимые; кристаллизационные – хрупкие (жесткие), необратимые. Кристаллизационные связи бывают водостойкие и неводостойкие.
Жесткие связи более характерны для скальных грунтов, пластичные связи – главным образом для глинистых грунтов. Кристаллизационные связи возникают под действием химических сил, образуя с минеральными частицами (в точках контакта) новые поликристаллические соединения – очень прочные, но хрупкие и не восстанавливающиеся при разрушении. Прочность этих связей зависит от состава минералов. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водно- коллоидные связи. Водно-коллоидные связи пластичны и обратимы; при
14
увеличении влажности они быстро уменьшаются до значений, близких к нулю и наоборот.
Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяют на связные (супеси, суглинки, глины) и несвязные, сыпучие (крупнообломочные и песчаные грунты).
Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов, вызываемое трением в точках контакта частиц, называют внутренним трением грунта. Внутреннее трение грунта тем больше, чем менее окатаны зерна в грунте. В связных грунтах, таких как очень вязкие дисперсные глины,
перемещению частиц будут сопротивляться только внутренние структурные связи и вязкость водно-коллоидных оболочек частиц.
1.4. Трещины и их влияние на свойства грунтов
Трещины наиболее часто встречаются в скальных грунтах, плотных глинах, и изредка в песчаных грунтах. По степени расчлененности трещинами скальные грунты разделяют на: монолитные – трещин нет, либо они есть, но не пересекаются; трещиноватые – трещины частично пересекаются, оставляя между блоками мостики (целики) прочного скального грунта; разборные – трещины образуют густую сеть, пересекаются и полностью разделяют обломки породы.
Трещины оказывают негативное влияние на свойства грунтов. По трещинам возможны сдвиги частей скального грунта под нагрузкой. Глинистые и песчаные грунты также могут иметь сеть трещин, по которым будет происходить замачивание массива, отрыв и соскальзывание при оползнях, следовательно, пренебрегать их трещиноватостью нельзя.
15
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ОСНОВАНИЙ
2.1. Основные физические характеристики грунтов. Дополнительные характеристики грунтов. Нормативные и расчетные значения физических характеристик
Оценка каждой разновидности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Некоторые из них
непосредственно применяются в расчетах оснований и грунтовых сооружений, другие – для классификации грунтов. Основными физическими характеристиками грунтов являются: плотность грунта ρ естественной (ненарушенной) структуры, равная отношению массы образца грунта к его объему; плотность частиц грунта ρs, равная отношению массы твердых частиц к их объему; влажность грунта ω равная отношению массы содержащейся в нем воды к массе твердых частиц.
Выделим из грунта образец с единичным объемом и мысленно разделим его на две части: одну, занятую твердыми частицами объемом V1, и другую, занятую порами, расположенными между этими частицами, объемом V2 (Рис. 4). Пространство, занятое порами, также можно разделить на две части, одна из которых занята водой, другая – воздухом. Пусть масса твердых частиц в объеме V будет g1, а масса воды – g2 (причем масса воздуха не оказывает влияние на результаты расчетов). В соответствии с вышеизложенными
определениями
ρ = |
g1 |
+ g2 |
, ρs = |
g1 |
, ω = |
g2 |
. |
|
V +V |
V |
g |
1 |
|||||
|
1 |
2 |
1 |
|
|
|
Зная плотность грунта (размерность обычно выражается в т/м3), можно найти удельный вес грунта γ и удельный вес частиц грунта γs (размерность будет в кН/м3)
γ = ρ × g , γs = ρs × g ,где g = 9,81 м/с2 (часто принимают 10).
16
Рис. 4. Схема составных частей (компонентов) образца грунта
Остальные физические характеристики грунтов могут быть вычислены с использованием их основных физических характеристик.
Плотность сухого грунта ρd часто называют плотностью скелета грунта и
определяют как отношение массы сухого грунта к объему всего грунта
ρd = |
|
g1 |
|
|
. |
||
V + V |
|||
1 |
2 |
|
Удельный вес сухого грунта (скелета грунта) будет равен
γd = ρd × g = 1+γω .
Пористостью грунта n называют отношение объема пор ко всему объему
грунта
n = |
|
V2 |
|
|
. |
||
V +V |
|||
1 |
2 |
|
Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта обозначают как m, равное
m = |
|
V1 |
|
|
. |
||
V + V |
|||
1 |
2 |
|
Величины n и m будут соответственно объемами пор и твердых частиц в единице объема грунта, следовательно, n + m = 1. Величины n и m также
можно определить по формулам
m = |
γd |
, n = 1- |
γd |
. |
γs |
|
|||
|
|
γs |
Коэффициент пористости грунта е равен отношению объема пор к объему твердых частиц
17
|
V2 |
|
n |
|
γs - γd |
|
|
γs ×(1 + ω) |
|
|
|||||||||
|
е = |
|
, или e |
= |
|
= |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
- 1. |
|
||
|
V |
m |
|
γ |
d |
|
γ |
|
|
|
|||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Зная коэффициент пористости грунта е, можно вычислить |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
n = |
|
e |
|
, m = |
|
|
1 |
. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 + e |
|
1+ e |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Полной |
влагоемкостью |
|
|
грунта |
ωsat |
|
называют |
влажность, |
соответствующую полному водонасыщению грунта, когда все его поры заполнены водой (в данном случае грунт является двухкомпонентной системой или грунтовой массой)
ω = e×γω = n ×γω |
, где γω – удельный вес воды. |
||
sat |
γs |
m×γs |
Степень влажности (степень водонасыщения) Sr определяется как
отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости
Sr = |
ω |
, или Sr = |
ω × γ |
||
|
s |
. |
|||
ω |
|||||
e × γ |
|||||
|
sat |
|
ω |
Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды γsb (для грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод) будет равен
γsb = γs − γω .
1+ e
Степенью неоднородности зернового состава песчаных грунтов Cu
называют отношение
Cu = d60 ,
d10
где: d60 – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по весу) 60 %; d10 – диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по весу) 10 %.
Связные (глинистые) грунта обладают пластичностью, которая характеризуется влажностью на границе текучести ωL, влажностью на
18
границе раскатывания (пластичности) ωР. По числу пластичности Ip = ωL – ωp определяют наименование глинистого грунта. По числу текучести
I L = ω - ωP
ωL - ωP
определяют состояние глинистого грунта (консистенцию) в условиях естественного залегания.
По коэффициенту просадочности Iss определяют, просадочный глинистый грунт, или нет
ISS = eL − e , 1 + e
где еL – коэффициент пористости на границе текучести, определяемый, как
eL = ωL × γS .
γω
Дополнительными характеристиками грунтов являются содержание органических веществ, засоленность, льдистость. Относительное содержание органических веществ в грунте Iom определяется как отношение их массы в образце сухого грунта к массе образца. Засоленность грунтов d0 определяется как отношение минимального суммарного содержания легко- и среднерастворимых солей к массе сухого грунта. Льдистость различают весовую и объемную. Весовая льдистость i – отношение массы льда к массе всей воды, содержащейся в грунте. Объемная льдистость iоб – отношение объема льда к объему всей воды, содержащейся в грунте.
Грунт по своей природе – тело неоднородное. Определение какой-либо его характеристики по одному образцу дает только ее частное значение. Поэтому различают нормативные Xн и расчетные X значения физических характеристик грунта. Для определения нормативной характеристики,
прежде всего, находят среднее арифметическое значение X результатов ее
частных определений
19
X= 1 × ån Xi ,
n i=1
где: n – количество определений (объем выборки); Xi – частные значения определяемой характеристики.
Далее проверяют, не содержатся ли среди частных определений данные с грубым отклонением от общей совокупности (отскоки). Исключаются максимальные и минимальные значения Хi, для которых выполняется условие / X – Хi/ > v·Sdis, где: v – статистический критерий, принимаемый по приложению Б; Sdis – среднее квадратичное отклонение
Sdis = |
1 |
|
× ån ( |
|
- Xi )2 |
. |
|
|
X |
||||||
n - 1 |
|||||||
|
i=1 |
Если такие отскоки отсутствуют, то принимают в качестве нормативной характеристики среднее арифметическое значение Xн = X . Если есть отскоки,
то их исключают из выборки, затем вновь определяют X для уже оставшихся частных определений и снова проводят проверку на наличие отскоков. После исключения всех отскоков должно быть n ≥ 6. Однако нормативные характеристики все равно будут содержать определенную погрешность. Поэтому в ходе расчетов используют расчетные характеристики, получаемые
путем деления нормативных характеристик на коэффициенты безопасности (надежности) X = Xн/γg.
2.2. Классификация грунтов. Связь физических и механических характеристик грунтов. Понятие о расчетном сопротивлении грунтов
Классификационные показатели грунтов применяются для отнесения грунтов к той или иной категории, чтобы предусмотреть в общих чертах
поведение грунтов при возведении на них сооружений и выбрать нормативные давления на грунтовые основания, а в отдельных случаях и
установить возможность применения в расчетах тех или иных теоретических