Инженерная геология и механика грунтов

Введение

Инженерная геология и механика грунтов

Инженерная геология как наука и прикладная дисциплина изучает общие природные условия, подлежащие учету при проектировании, возведении и эксплуатации инженерных сооружений, а также те геологические процессы и явления, которые могут оказать вредное влияние на сооружения и нарушить нормальные условия их работы.

Основные понятия и определения. Всякое сооружение передает действующие на него нагрузки, включая собственный вес, на основание. Основание – это напластование грунтов, воспринимающее давление от сооружения (рисунок).

Располагать сооружение непосредственно на поверхности земли (на дневной поверхности) можно в редких случаях. Этому препятствуют особенности верхних слоев грунта:

- их малая несущая способность;

- возможность вертикального перемещения под воздействием метеорологических факторов (пучение при промерзании, просадка при оттаивании, набухание при увлажнении, усадка при высыхании);

- возможность разрушения землероями, выветриванием и корнями растений.

По указанным причинам необходимо устройство фундамента – подземной конструкции, предназначенной главным образом для передачи давления на грунты, лежащие на некоторой глубине.

Рисунок 1.1. Схема фундамента с основанием

Фундамент 1 (см. рис. 1.1) чаще всего располагают ниже поверхности земли 2. Надземные конструкции 3 опираются на верхнюю плоскость фундамента - его обрез 4. Нижнюю плоскость фундамента называют подошвой 5. В основании различают несущий слой грунта 6, на который передается давление от фундамента, и подстилающие слои 7.

Высота фундамента h_f обычно несколько меньше глубины его заложения d, поскольку обрез фундамента располагают, как правило, ниже планировочной отметки поверхности земли около фундамента.

Грунты основания обычно обладают в тысячи раз большей деформативностью и в сотни раз меньшей прочностью, чем материалы, из которых возводятся сооружения, поэтому надежное существование последних в значительной степени зависит от величины неравномерности деформаций грунтов оснований. Следствием неправильной оценки характера напластований и строительных качеств грунтов часто являются большие деформации конструкций сооружений и даже их разрушение.

Физические свойства грунтов

Грунты - это любая горная порода или почва (а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека), представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые как основания, среда или материал для возведения зданий и инженерных сооружений.

К числу физических свойств относятся плотность твердых частиц, плотность грунта, влажность, водопроницаемость.

Согласно ГОСТ 25100-2011 различают три основных класса грунтов:

1) скальные (с жесткими структурными связями - кристаллизационными и цементационными);

2) дисперсные (с механическими и водно-коллоидными связями);

3) мерзлые (грунты находящиеся в мерзлом состоянии)

Класс скальных грунтов включает магматические (интрузивные, эффузивные), метаморфические, осадочные грунты, вулканогенно-осадочные, элювиальные и техногенные. Среди них выделяются разновидности:

- по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии;

- плотности скелета грунта;

- степени размягчаемости;

- степени растворимости в воде;

- степени водопроницаемости.

Класс дисперсных грунтов включает группу несвязанных грунтов (крупнообломочные грунты, пески) и группу связанных (глинистые грунты, илы, сапропели, заторфованные грунты, торфы и др.).

Среди глинистых грунтов выделяются разновидности:

- по числу пластичности и гранулометрическому составу;

- показателю текучести;

- относительному содержанию органического вещества;

- относительной деформации просадочности;

- относительной деформации набухания.

Выделяются разновидности песчаных и крупнообломочных грунтов:

- по гранулометрическому составу;

- коэффициенту водонасыщения.

Также выделяются разновидности песков:

- по коэффициенту пористости;

- относительному содержанию органических веществ.

К классу мерзлых грунтов относят грунты, обладающие наряду со структурными связями немерзлых грунтов криогенными связями (за счет льда).

Грунты с криогенными, кристаллизационными и цементационными структурными связями выделяют в подкласс скальных мерзлых грунтов; грунты с криогенными, физическими и физико-химическими структурными связями - в подкласс дисперсных мерзлых грунтов; грунты только с криогенными связями - в подкласс ледяных грунтов.

Для оценки строительных свойств грунтов необходимо определить ряд характеристик.

Характеристики, которые непосредственно не используются при расчетах, но позволяют дать общую оценку грунта: гранулометрический состав, петрографический состав, число пластичности, показатель текучести, коэффициент водонасыщения, коэффициент пористости. Они определяются при испытаниях грунтов или вычисляются по формулам.

Характеристики, которые используются в расчетах инженерных сооружений: плотность грунта, плотность грунтовых частиц, коэффициент относительной сжимаемости, модуль деформации, удельное сцепление, угол внутреннего трения. Они определяются при испытаниях грунтов.

Методов определения указанных характеристик известно много. В данных методических указаниях приведены современные методы, рекомендуемые стандартами.

Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава (ГОСТ 12536-2014)

Гранулометрический (зерновой) состав грунта определяют по массовому содержанию в нем частиц различной крупности, выраженному в процентах по отношению к массе сухой пробы грунта, взятой для анализа.

Микроагрегатный состав грунта определяют по массовому содержанию в нем водостойких микроагрегатов различной крупности, выраженному в процентах, по отношению к массе сухой пробы грунта, взятой для анализа.

Таблица 1.1 - Методы определения гранулометрического состава грунтов

Таблица 1.2 - Основные фракции грунта

Определение гранулометрического состава заключается в разделении грунта на отдельные гранулометрические элементы. Методы определения гранулометрического состава грунтов можно разделить на прямые и косвенные.

К прямым относятся методы, основанные на непосредственном (микрометрическом) измерении частиц в поле зрения оптических и электронных микроскопов или с помощью других электронных и электронно-механических устройств. В практике прямые (микрометрические) методы не получили широкого распространения.

К косвенным относятся методы, которые базируются на использовании различных зависимостей между размерами частиц, скоростью осаждения их в жидкой и воздушной средах и свойствами суспензии. Это методы, основанные на использовании физических свойств суспензии (ареометрический, оптический и др.) или моделирующие природную седиментацию (пипеточный, отмучивания и др.).

Ареометрический метод основан на последовательном определении плотности суспензии грунта через определенные промежутки времени с помощью ареометра. По результатам определений рассчитывают диаметр и количество определяемых частиц по формуле или с помощью номограммы. Этим методом определяют содержание в грунте частиц диаметром менее 0,1 мм. Содержание фракций крупнее 0,1 мм определяют ситовым методом.

Рисунок 1.2. Устройство ареометра

Устройство ареометра (рис. 1.2) основано на законе Архимеда: всякое погруженное в жидкость тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. При постоянном объеме тела, погруженного в жидкость, более тяжелой жидкости будет вытеснено меньше, а более легкой - больше. Таким образом, в легкую жидкость тело будет погружено на большую глубину, в тяжелую на меньшую. Следовательно, чем больше концентрация суспензии, тем больше ее плотность и меньше глубина, на которую погружается в нее ареометр.

При отстаивании суспензии частицы грунта, подчиняясь закону силы тяжести, падают на дно сосуда и плотность суспензии уменьшается. Соответственно ареометр по мере выпадения частиц постепенно погружается в суспензию глубже и глубже.

Пипеточный метод используют для определения гранулометри­ческого состава глинистых грунтов в комбинации с ситовым. Этот метод основан на разделении частиц грунта по скорости их падения в спокойной воде. Скорость осаждения частиц (v, см/с) определяется по формуле Стокса

где  - ускорение свободного падения, см/с²;  - радиус частиц, см;  - плотность частиц, г/см³;  -плотность воды, г/см³;  - коэффициент вязкости воды.

Через определенные интервалы времени пипеткой из суспензии грунта с различных глубин отбирают пробы, которые затем высушивают и взвешивают.

К косвенным методам также относится и полевой метод Рутковского, который дает приближенное представление о гранулометрическом составе грунтов.

В основу метода положены:

1) различная скорость падения частиц в воде в зависимости от их размера;

2) способность глинистых частиц набухать в воде.

С помощью метода Рутковского выделяют три основные фракции: глинистую, песчаную и пылеватую. В полевых условиях на практике этот метод целесообразно применять для определения песков пылеватых и супесей.

В особую группу выделяют методы определения размеров частиц с помощью ситовых наборов. Они занимают промежуточное положение между прямыми и косвенными методами и широко используются в практике самостоятельно или в комбинации с другими методами.

Гранулометрический состав песчаных и глинистых грунтов при исследованиях для строительства в лабораториях следует определять методами, предусмотренными таблицей 1.

Рис. 1.3. Комплект сит для гранулометрического анализа

Ситовой метод - один из основных в практике исследований грунтов для строительства. Метод используется для определения гранулометрического состава крупнообломочных и песчаных грунтов, а также крупнозернистой части пылевато-глинистых грунтов.

Сущность метода заключается в рассеве пробы грунта с помощью набора сит. Для разделения грунта на фракции ситовым методом без промывки водой применяют сита с отверстиями диаметром 10; 5; 2; 1; 0,5 мм; с промывкой водой - сита с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм. Ситовой метод с промывкой водой обычно применяют для определения гранулометрического состава мелких и пылеватых песков.

Гранулометрический состав является одним из важнейших факторов, определяющих физические свойства грунта. Изменение гранулометрического состава грунтов вызывает и изменение их свойств (с уменьшением размера частиц уменьшается водопроницаемость грунтов: если галечники обладают большой водопроницаемостью, то у песков она уже значительно ниже, а у глин водопроницаемость практически равна нулю).

Классификация грунтов по гранулометрическому составу

Определение гранулометрического состава необходимо для решения ряда практических вопросов, важнейшими из которых являются:

1) классификация грунтов по гранулометрическому составу;

2) приближенное вычисление водопроницаемости рыхлых несвязанных грунтов по эмпирическим формулам;

3) оценка пригодности грунтов для использования их в качестве насыпей для дорог, дамб, земляных плотин.

По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 3

Глинистые грунты подразделяются по числу пластичности (табл. 1.4)

В строительной практике также используют упрощенную классификацию грунтов по содержанию глинистых частиц (табл. 1.5)

Таблица 1.3 – Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

Примечание. Для установления наименования грунта последовательно суммируют проценты частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм, далее крупнее 2 мм и т.д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименования в таблице.

Таблица 1.4 – Классификация грунтов по числу пластичности

Таблица 1.5 – Классификация грунтов по содержанию глинистых частиц

Графическое изображение гранулометрического состава грунтов

Существует несколько способов для графического изображения гранулометрического состава, из которых чаще всего используются способы интегральной кривой и диаграммы-треугольника.

Интегральная кривая - это график, отражающий суммарное содержание фракций мельче определенного диаметра (рис. 1.4). Для построения кривой по оси абсцисс используют полулогарифмический масштаб, т.е. откладывают не диаметры частиц, а их логарифмы. В начале координат ставят число 0,001, а затем принимая lg10 = 1 (5 см), откладывают вправо четыре раза по 5 см, делая отметки, ставя против них последовательно числа 0,01; 0,1; 1; 10. Расстояние между каждыми двумя метками делят на 9 частей пропорционально логарифмам чисел 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (табл. 1.6).

Таблица 1.6 – Таблица логарифмов чисел

По оси ординат отмечают суммарное содержание фракций в процентах в нарастающем порядке от наименьшего диаметра к наибольшему.

По оси ординат отмечают суммарное содержание фракций в процентах в нарастающем порядке от наименьшего диаметра к наибольшему.

Интегральная кривая гранулометрического состава дает возможность оценить степень неоднородности гранулометрического состава C _u:

где d ₆₀ и d₁₀ - размер частиц, соответствующий ординатам 60 и 10 % соответственно на интегральной кривой.

Согласно действующему ГОСТ 25100-2011 если C_u≤ 3 - грунт однородный, если С_и > 3 - неоднородный.

Рис. 1.4. Интегральная кривая гранулометрического состава грунта

Диаграмма-треугольник Фере (рис. 1.5) позволяет изображать содержание трех основных фракций - песчаной, пылеватой и глинистой. В треугольнике Фере использовано свойство равностороннего треугольника: сумма перпендикуляров, опущенных из какой-либо точки внутри треугольника на три стороны, равна высоте треугольника.

Если разделить стороны и высоту треугольника на 100 частей и откладывать содержание в грунте глинистых, пылеватых и песчаных частиц (в процентах) от разных сторон треугольника, то получим изображение гранулометрического состава грунта в виде точки. Этот способ позволяет наносить на один чертеж очень большое число анализов.

На рис. 1.5 изображены результаты гранулометрического анализа трех образцов грунта со следующим содержанием основных фракций в процентах.

- образец 1: содержание песка 20, пыли 40, глины 40;

- образец 2: содержание песка 5, пыли 35, глины 60;

- образец 3: содержа­ние песка 55, пыли 15, глины 30.

Рисунок 1.5. Треугольник Фере

Плотность твердых частиц (ρ_s)

В грунте различают твердый компонент - минеральные и органические частицы, которые при неплотном прилегании друг к другу образуют промежутки различной величины - поры. В порах содержится жидкий компонент (вода) и газообразный компонент (воздух).

В зависимости от количественного соотношения в грунте частиц различного размера, от степени заполнения пор водой грунт имеет различное физическое состояние, от которого зависят его свойства и поведение под нагрузкой.

К числу физических свойств относятся плотность твердых частиц, плотность грунта, влажность, водопроницаемость.

Плотностью твердых частиц ρ _s называется отношение массы твердых частиц m_s к их объему V _s:

г/см3, кг/м3, т/м3

Численно плотность твердых частиц равна массе единицы объема скелета грунта в воздухе при отсутствии пор. Определяется пикнометрическим методом. Плотность твердых частиц зависит только от минерального состава грунта, так как плотность породообразующих минералов колеблется в небольших пределах, плотность рыхлых пес­чаных и глинистых грунтов также изменяется в небольших пределах. Для расчетов принимают плотность твердых частиц песков, равную 2,66; супесей - 2,7; суглинков - 2,71; глин - 2,74.

Пористость грунта

Пористостью грунта n называется отношение объема пор (V_n) к общему объему породы V

Наибольшей пористостью обладают рыхлые грунты осадочного происхождения. Пористость торфов составляет 60 - 90, глинистых грунтов 35 - 50, крупнообломочных и песчаных грунтов 30 - 45 %. Низкой пористостью (1 - 3 %) обладают скальные грунты метаморфического и магматического (интрузивного) происхождения.

Чаще общее содержание пор в грунте характеризуется коэффициентом пористости е. Это отношение объема пор V_n к объему скелета грунта V _ск, т.е. к объему его твердой части:

Коэффициент пористости обычно вычисляют по плотности твердых частиц, плотности грунта и влажности.

Величина коэффициента пористости используется для построения компрессионных кривых при изучении сжимаемости грунтов и служит классификационным показателем при определении плотности сложения песчаных грунтов согласно ГОСТ 25100-2011 (табл. 1.7). Кроме того, величина пористости может быть использована для вычисления коэффициента фильтрации песков по эмпирическим формулам.

Таблица 1.7 – Классификация грунтов по коэффициенту пористости

Пески