Грунты, их основные свойства и классификация

Грунтами называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. К ним относят растительный грунт, песок, супесь, гравий, глину, суглинок, торф, плывуны, различные полускальные и скальные грунты.

По крупности минеральных частиц грунта, их взаимной связи и механической прочности грунты делят на пять классов: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные (несвязные) и глинистые (связные).

К скальным грунтам относятся сцементированные водоустойчивые и практически несжимаемые породы (граниты, песчаники, известняки и т. п.), залегающие обычно в виде сплошных или трещиноватых массивов.

К полускальным грунтам относятся сцементированные породы, спо­собные к уплотнению (мергели, алевролиты, аргиллиты и т. п.) и не­водостойкие (гипс, гипсоносные конгломераты).

Крупнообломочные грунты состоят из несцементированных кусков скальных и полускальных пород; обычно содержат более 50% обломков пород размером свыше 2 мм.

Песчаные грунты состоят из несцементированных частиц пород раз­мером 0,05-2 мм; представляют собой, как правило, естественно разру­шившиеся и преобразованные в различной степени скальные грунты; не обладают пластичностью.

Глинистые грунты также являются продуктом естественного разру­шения и преобразования первичных горных пород, составляющих скаль­ные грунты, но с преобладающим размером частиц менее 0,005 мм.

Основным объектом разработки в строительстве являются глинистые, песчаные, и песчано-глинистые, а также крупнообломочные и полускаль­ные грунты, покрывающие большую часть земной поверхности.

К основным свойствам и показателям грунтов, влияющим на техноло­гию производства, трудоемкость и стоимость земляных работ, относятся: плотность, влажность, прочность, сцепление, кускоеатость, разрыхляемость, угол естественного откоса и размываемость.

Плотностью р называется отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому.этим грунтом объему. Плотность песча­ных и глинистых грунтов - 1,5-2 т/м³; полускальных неразрыхленных грунтов – 2-2,5 т/м³, скальных - более 2,5 т/м³.

Влажностью w называется отношение массы воды в порах грунта к массе его твердых частиц (в процентах). Грунты влажностью до 5% счи­тают сухими, свыше 30% - мокрыми, а от 5 до 30% - нормальной влажно­сти.

При значительной влажности глинистых грунтов появляется липкость. Большая липкость грунта усложняет его выгрузку из ковша машины или кузова, условия работы конвейера или передвижение машины.

Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Сцепление определяется начальным сопротивлением грунта сдвигу и зависит от вида грунта и степени его влажности. Сцепление песчаных грунтов - 0,03-0,05 МПа, глинистых - 0,05-0,ЗМПа, полускальных –

0,3-4 МПа и скальных - более 4 МПа.

Кусковатость разрыхленной массы (гранулометрический состав) характеризуется процентным содержанием различных фракций.

Разрыхляемость -это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления k _р представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к его объему в природном состоянии; для песчаных грунтов k _р = 1,15-1,2, для глинистых k _р = 1,2-1,3, для полускальных и скальных грунтов при взрывании «на встряхивание» k _р изменяется от 1,1 до 1,2, а при взрывании «на развал» - от 1,25 до 1.6 (при большой кусковатости до 2).

Коэффициент остаточного разрыхления k _{р o} характеризует остаточное увеличение объема грунта (по сравнению с природным состоянием) после его уплотнения. Значение коэффициента k _{р o} обычно меньше k _р на 15-20 %.

Угол естественного откоса характеризуется физическими свойствами грунта, при котором он находится в состоянии предельного равновесия. Величина угла естественного откоса зависит от угла внутреннего трения, силы сцепления и давления вышележащих слоев грунта. При отсутствии сил сцепления предельный угол естественного откоса равен углу внутрен­него трения. В соответствии с этим крутизна откосов выемок и насыпей, выражаемая отношением высоты к заложению:

h /а = 1/т, где т - коэффи­циент откоса, для постоянных и временных земляных сооружений различ­на. Крутизна откосов устанавливается СНиПами.

Все грунты группируют и классифицируют по трудности разработки различными землеройными машинами и вручную. Наиболее часто для оценки трудности разработки грунта используют показатель удельного со­противления резанию (копанию) К_F.

Удельное сопротивление копанию (резанию) К_F представляет собой отношение касательной составляющей усилия, развиваемого на режущей кромке ковша землеройного и землеройно-транспортного оборудования, к площади поперечного среза грунта (стружки).

Значение К_р зависит как от свойств и показателей разрабатываемого грунта, так и от конструктивного исполнения рабочего органа землеройно­го и землеройно-транспортного оборудования.

Профессором Н. Г. Домбровским были предложены шесть групп

грун­тов: I и II - слабые (мягкие) и плотные грунты (чернозем, лесс, суглинок и т. п.), III и IV - очень плотные (тяжелые суглинки, глины и т. п.) и полу­скальные грунты (сланцы, алевролиты и т. п.), V и VI - соответственно хо­рошо и плохо разрыхленные полускальные и скальные грунты. Указанная группировка грунтов по трудности разработки машинами нашла широкое применение в строительстве, на карьерных разработках, в экскаваторо-строении; в измененном виде она положена в основу нормирования и рас­ценок земляных работ в существующих ЕНиР.

Группировка грунтов по трудности разработки в ЕНиР составлена от­дельно для немерзлых (I-VI группы) и мерзлых (I-IIIм) грунтов, при­чем, грунты перечисляются в алфавитном порядке с указанием средних значений плотности. Разрыхленные немерзлые грунты нормируются на одну группу ниже, чем эти же грунты в массиве (неразрыхленном состоянии). К V и VI группам отнесены грунты, кроме пестроцветных моренных глин, разрабатываемые после предварительного разрыхления.

В качестве критерия трудности разработки грунтов различными видами землеройного оборудования часто используют скорость распространения упругих волн в массиве. Так, рядом отечественных заводов-изготовителей и зарубежных фирм по этому критерию устанавливается область приме­нения существующего и перспективного землеройного и землеройно-транспортного оборудования.