Происхождение и состав грунтов. Грунты по виду происхождения и по условиям формирования.

Происхождение и состав грунтов. Грунты по виду происхождения и по условиям формирования.

Грунты –представляют собой естественно-историческое образования.

Изучение грунтов необходимо начинать с установления следующих геоморфологических факторов:

§ из чего они образовались;

§ когда они образовались;

§ под воздействием каких факторов шло их формирование.

Образование грунтов

Грунты представляют собой продукты физического и химического выветривания горных и магматических пород.

Физическое (механическое) выветривание –результат резкого колебания температур, воздействия ветра, водных потоков

Химическое выветривание – результат химического взаимодействия различных минералов, растворение водой солевых соединений.

Этапы геологического развития земли:

v Архейская эра(гнейсы и кристаллические сланцы мощностью до 30000м )

v Палеозойская эра(мощностью до 15000м, различные осадочные породы в том числе каменный уголь)

v Мезозойская эра(мощностью до 1000м)

v Кайнозойская эра(современная эра, мощность осадочных пород до 5000м). Начало эры условно принято 75 млн.лет назад. Эта эра имеет два периода -третичный (свыше 30млн. лет) и четвертичный.

По условиям формирования грунты бывают:

ü Континентальные

Эллювиальные – залегающие на месте своего первоначального образования.

Делювиальные – перемещаемые под действием сил тяжести или водными потоками (не имеющих русла)

Аллювиальные – переносимые постоянными водными потоками на значительные расстояния.

Ледниковые – образовавшиеся в результате движения ледников в периоды оледенения.

Эоловые – отложения, переносимые ветром.

 

ü Морские

Виды ледниковых отложений

§ Моренные – глинистые грунты с примесью крупнообломочных частиц

§ Озерно-ледниковые - слоистые глинистые грунты и песчаные грунты, образовавшиеся во внутренних озерах ледников.

§ Флювиогляциальные – песчаные грунты, галька, наносимые по окаймляющим ледник областям водными потокам при таянии ледника 2,Фазовое строение грунта. Классификация и свойства твердой фазы грунтов.

 

Грунт – это многокомпонентная дисперсная (мелкораздробленная) среда, состоящая из твёрдой, жидкой и газообразной фазы.

Свойства грунта определяются свойствами каждой фазы и характером их взаимодействия друг с другом

Для грунта, как многокомпонентной среды в первую очередь необходимо определить:

§ свойства каждой фазы в отдельности;

§ количественное соотношение (объемное, весовое) между фазами;

§ характер взаимодействия между фазами.

Свойства твердой фазы

ü по минеральному составу;

ü Полевой шпат

ü Кварц

ü Монтмориллонит

ü Каолинит

ü Иллит

ü Атапульгит

ü и др.

 

ü по размеру частиц;

 

§ Валуны > 200мм.

§ Галька 200-40мм.

§ Гравий 40-2мм.

§ Песчаные частицы 2-0,05мм

§ Пылеватые 0,05-0,005мм.

§ Глинистые частицы < 0,005мм.

 

Гранулометрический состав - содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различного размера по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта.

По гранулометрическому составу выделяют

§ валунный ( > 200мм > 50%);

§ галечниковый ( > 10мм> 50%);

§ гравийный (> 2мм > 50%);

§ песок (>2мм <50% и >0.1мм <75%)

§ пылеватые грунты

§ глинистые грунты

 

Степень неоднородности оценивается по кривой гранулометрического состава и показывает насколько отличаются содержания фракций различного диаметра.

Максимальная степень неоднородности определяет из выражения:

В зависимости от величины U_max грунты подразделяются на:

 

ü однородные;

ü среднеоднородные;

ü неоднородные;

ü повышенной неоднородности.

 

 

Диполь воды

Молекулы воды являются диполями, один конец которого заряжен положительно, а другой отрицательно

Свойства связанной воды

§ Обладает свойствами очень вязкой жидкости;

§ Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения. Такая вода может быть отделена от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С.

§ Замерзает при температуре ниже 0°С;

§ Имеет большую, чем свободная вода, плотность;

§ Обладает ползучестью;

Влияние связанной воды на свойства грунта

Наличие связанной воды обуславливает следующие свойства грунта:

v пластичность;

v связанность;

v вязко - пластичность;

v набухания и усадки;

v водонепроницаемость;

Структура и текстура грунтов

Структура – особенности строения грунтов, обуславливаемые размерами и формой частиц а также характером их взаимодействия друг с другом

Силы взаимодействия частиц друг с другом называются структурными связями

Типы структурных связей

1. Кристаллизационные (цементационные)- образуются в результате отложения поликристаллических соединений в точках контакта между частицами. Обладают высокой прочностью, но хрупкие, размягчаются водой и не восстанавливаются при их разрушении.

2. Водно-коллоидные –обуславливаются электромолекулярными силами взаимодействия частиц грунта, покрытых плёнкой связанной воды.

4.Основные характеристики физического состояния грунтов и методы их определения (лабораторные и полевые).

l Характеристики физического состояния грунта – параметры, отражающие количественное соотношение твердой, жидкой и газообразной фазы грунта.

Плотность твердых частиц

l Масса твердых частиц грунта в единице объема

 

 

l Влажность грунта в естественном состоянии

 

 

 

Понятие прочности грунта

Прочность- свойство материала сопротивляться разрушению или развитию значительных пластических деформаций.

 

В твердых телах при определенном уровне внутренних усилий в твердых телах образуются необратимые разрушения в виде трещин, отрыва и сдвига, после чего целое расчленяется на отдельные части. Этот процесс называют хрупким разрушением,

Уровень внутренних усилий в момент разрушения характеризует прочность материала твердого тела.

Прочностных характеристик.

Наибольшее влияние на формирование прочностных свойств оказывают:

l гранулометрический состав грунта;

l характер структурных связей;

l влажность грунта;

l окатанность частиц;

l и т.д.

Давление связанности.

 

В случае если грунт не обладает связанностью (с=0) уравнение принимает вид:

 

Закона Кулона.

l Линейная зависимость между сопротивление грунта сдвигу и нормальным напряжением носит название закона Кулона

l Предельное сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени нормального напряжения.

 

12.Фильтрационные свойства грунтов, закон ламинарной фильтрации. Начальный градиент напора. Методы определения коэффициента фильтрации.

Вода в грунте оказывает существенное влияние на механические свойства грунта и на процесс его деформирования под нагрузкой;

Вода в грунте может находиться в связанном и свободном состоянии;

Свободная вода может совершать движение через поры грунта;

Деформирование грунтов происходит вследствие уменьшения объема пор, т.е. вследствие его уплотнения.

Общие случаи движения воды через грунт

В общем случае вода может совершать движение через грунт под действием :

Разности давлений водяного пара.

Сил поверхностного натяжения (капиллярное движение воды).

Разности осмотического давления связанной воды.

Разности гидростатических напоров.

 

Движение воды под действием гидростатических напоров представляет наибольший практический интерес. Именно это движение воды называется фильтрацией.

Фильтрация воды через грунт

Схема фильтрации воды через грунт при

действии разности напоров,

∆H=H₂–H₁ – разность напоров, Q – расход воды

Другие причины возникновения фильтрации:

1) Техногенная деятельность человека, способствующая подтоплению или осушению территорий

Фильтрация воды при действии внешних нагрузок

где u - избыточное поровое давление в грунте;

γ_w - удельный вес воды

 

 

Закон ламинарной фильтрации

Количественную оценку процесса фильтрации производят с использование скорости фильтрации (U), представляющей собой расход воды (Q) через единицу площади (F):

 

(6.2)

 

Величина U –имеет размерность скорости

 

 

Градиент напора (i) представляет собой отношение разности напоров к расстоянию между точками (L), в которых они были замерены:

 

Закон Дарси

где k_f - коэффициент фильтрации (см/год, см/сут) .

 

 

Уравнение носит название закона Дарси:

Коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации (k_f) характеризует фильтрационные свойства грунта. Его величина зависит от типа грунта и в первую очередь от грансостава.

k_f > 200 м/сут – для галечниковых грунтов

k_f = 2÷100 м/сут – для песков

k_f < 0,005 м/сут – для глинистых грунтов

 

 

Начальный градиент напора

Величина i_o называется начальным градиентом напора.

Закон Дарси с учетом начального градиента напора может быть представлен в виде:

U=0, при i ≤ i₀

U=k_f · (i-i₀), при i > i₀

 

 

Методы определения коэффициента фильтрации.
Лабораторный метод В ходе испытаний замеряется разность напоров (ΔH) в пьезометрических трубках и количество профильтровавшейся воды (Q). Коэффициент фильтрации определяется из выражения:

где F – площадь поперечного сечения образца грунта, l- расстояние между пьезометрическими трубками.

Полевые методы определения коэффициента фильтрации Полевые методы определения коэффициента фильтрации грунтов основаны на наблюдении за уровнем грунтовых вод при опытной откачке воды из скважины или при водонасыщении грунта путем наполнения опытной скважины водой.

В процессе опытной откачки воды из грунта измеряется приток воды в скважину (Q) и уровень воды в каждой скважине и разность напоров (ΔH). Коэффициент фильтрации определяется по зависимости:

 

где L- расстояние между опытными скважинами,

F-поперечное сечение скважины.

 

 

Схема работы модели

В общем случае:

N=P_w+P_s

В начальный момент времени при t = 0:

P_s =0; N=P_w

По истечении достаточного времени (t = ∞) вся внешняя нагрузка уравновеситься реакцией в пружине, избыточное давление снизиться до 0 и процесс отжатия воды прекратится.

Тогда при t = ∞:

P_w =0; N=P_s

от физической модели к грунту.

Внешняя нагрузка N будет соответствовать полному сжимающему напряжению σ,давление в жидкости P_w давлению в поровой воде u и реакция в пружине P_s напряжению, возникающему в скелете грунта

Тогда по аналогии, уравнение 6.8 можно представить в виде:

При t = 0:

При t = ∞:

 

В механике грунтов поровое давление (U) называется нейтральным давлением, а давление в скелете грунта - эффективным.

Деформационные свойства

Грунты с низким коэффициентом фильтрации деформируются длительное время

 

Прочностные свойства

Рассмотрим закон Кулона с учетом эффективного и нейтрального давления. Так как величина сил, прижимающих частицы грунта друг к другу, зависит только от эффективного давления , то предельное сопротивление грунта срезу ( )будет определяться по зависимости:

 

Учитывая, что соотношение между эффективным и нейтральным давлением изменяется по мере фильтрации воды из пор грунта, то и сопротивление водонасыщенного грунта сдвигу так же будет изменяться со временем:

 

Причины нарушения структуры

n увлажнение грунтов;

n механическое воздействие (вибрационные динамические колебания и т.п.);

n изменение температурного режима.

 

К структурно-неустойчивым грунтам впервую очередь относятся:

§ лёссовыепросадочные грунты (нарушение природной структуры происходит при пропитывании его водой);

§ мерзлые и вечномерзлые грунты (структура грунтов нарушается при их оттаивании);

§ рыхлые пески (резко уплотняются при динамических воздействиях);

§ илы и чувствительные глины (при механическом воздействии прочностные свойства значительно ухудшаются).

Лёссовые грунты
Структурные особенности лёссовых грунтов и области их распространения

Главные напряжения

Направление действия главного напряжения σ₁ совпадает с биссектрисой угла видимости

 

 

Армирование грунтов

n метод преобразования свойств грунтовой среды путем изменения условий работы грунта за счет введения различного рода искусственных элементов, обеспечивающих восприятие повышенных сжимающих и растягивающих напряжений.

Области применения :

n Упрочнение оснований насыпных земляных сооружений (песчаные подушки, насыпи, дамбы, грунтовые подпорные стены и.д.);

n Упрочнение оснований строящихся и существующих зданий;

n Противооползневое упрочнение откосов;

n Шатровое армирование грунтов над подземными выработками.

Методы армирования грунтов отличаются:

n По характеру расположения армирующих элементов- вертикальное, горизонтальное, наклонное в одном, двух и более направлениях; ячеистыми структурами; объемно-дисперсное;

n По виду армирующих элементов — геотекстилем; полимерными сетками и георешетками; волокнами, нитями; набивными, буронабивными, забивными и грунтовыми сваями; буроинъекциными сваями; анкерами.

Основные материалы применяемые для горизонтального армирования :

n Геотекстиль

n Геосетки

n Георешетки

Уплотнение грунтов.

Уплотнение грунтов – метод искусственного упрочнения оснований направленный на уменьшение пористости грунта.

Методы уплотнения

Ø поверхностное уплотнение;

Ø глубинное уплотнение и уплотнение взрывом;

Ø уплотнение статистической нагрузкой;

Ø уплотнение водопонижением.

Режимы уплотнения

n Оптимальная влажностью грунта (Wо);

n Количество ударов в одной точке (n) ;

n Проектное понижение дна котлована после уплотнения (Dh).

Только при соблюдении режимов уплотнения можно достичь требуемой плотности грунта

Параметры режима уплотнения устанавливается экспериментально и расчетами.

Контроль за качеством уплотнения производится при помощи параметра

 

где ρ_d,max – максимальная плотность исследуемого грунта

Обычно k_com принимается равным от 0,92÷0,98

Методы глубинного уплотнения:

• Грунтовыми сваями.

• Известковыми сваями.

• Динамическим воздействием и взрывами.

При динамическом уплотнении верхний слой основания как правило разуплотняется. Поэтому данный метод применяется совместно с поверхностным уплотнением (трамбовки, катки).

Уплотнение водопонижением

Водовмещаемые грунты, которые способны отдавать воду из пор (илы, ленточные глины, заторфованные супеси, рыхлые пески и др.) можно уплотнить, понижая уровень подземных вод, например, путем откачки воды из скважин-фильтров.

1 – эпюра природного давления с учетом взвешивающего действия воды

2 – то же после водопонижения

Закрепление грунтов

Направлено на образование прочных связей между минеральными частицами грунта

Наиболее распространены следующие методы закрепления грунтов:

n Цементация;

n Химическое закрепление грунтов;

n Битумизация;

n Термический метод.

Закрепление грунтов

Направлено на образование прочных связей между минеральными частицами грунта

Наиболее распространены следующие методы закрепления грунтов:

n Цементация;

n Химическое закрепление грунтов;

n Битумизация;

n Термический метод.

Химическое закрепление грунтов

n Силикатизация

n Смолизация

n Применение полиуретановых и акриловых вяжущих

Силикатизация

Силикатизация и смолизация грунтов применяются для повышения несущей способности оснований и устройства фундаментов из укрепленного грунта. Этот метод может применяться в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут. и в лессовых просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 20 м/сут. Силикатизация и смолизация грунтов осуществляется путем нагнетания в грунт через систему инъекторов или скважин водных растворов или смесей, приготовляемых на основе силиката натрия и синтетических смол с отвердителем.

Существует 2 метода силикатизации:

n Двухрастворный;

n Однорастворный.

При создании сплошного закрепленного массива инъекторы или скважины в плане располагаются рядами в шахматном порядке. Расстояние между рядами инъекторов и инъекционных скважин вычисляются по формуле

l_d=1,5r

Термический метод

Этот метод закрепления грунтов применяют для устранения просадочности и увеличения прочности лёссов.

Термическому закреплению поддаются так же глины и суглинки, если они обладают воздухопроницаемостью.

Сущность термического закрепления заключается в увеличении прочности структурных связей в грунте под влиянием высокой температуры.

Обжиг грунта продолжается 5…10 дней. При расходе жидкого топлива 80…180кг на 1 м длины скважины. Вокруг нее образуется столб закреплённого грунта диаметром 1,5…3 м с кубиковой прочностью 1…3 МПа.

 

Происхождение и состав грунтов. Грунты по виду происхождения и по условиям формирования.

Грунты –представляют собой естественно-историческое образования.

Изучение грунтов необходимо начинать с установления следующих геоморфологических факторов:

§ из чего они образовались;

§ когда они образовались;

§ под воздействием каких факторов шло их формирование.

Образование грунтов

Грунты представляют собой продукты физического и химического выветривания горных и магматических пород.

Физическое (механическое) выветривание –результат резкого колебания температур, воздействия ветра, водных потоков

Химическое выветривание – результат химического взаимодействия различных минералов, растворение водой солевых соединений.

Этапы геологического развития земли:

v Архейская эра(гнейсы и кристаллические сланцы мощностью до 30000м )

v Палеозойская эра(мощностью до 15000м, различные осадочные породы в том числе каменный уголь)

v Мезозойская эра(мощностью до 1000м)

v Кайнозойская эра(современная эра, мощность осадочных пород до 5000м). Начало эры условно принято 75 млн.лет назад. Эта эра имеет два периода -третичный (свыше 30млн. лет) и четвертичный.

По условиям формирования грунты бывают:

ü Континентальные

Эллювиальные – залегающие на месте своего первоначального образования.

Делювиальные – перемещаемые под действием сил тяжести или водными потоками (не имеющих русла)

Аллювиальные – переносимые постоянными водными потоками на значительные расстояния.

Ледниковые – образовавшиеся в результате движения ледников в периоды оледенения.

Эоловые – отложения, переносимые ветром.

 

ü Морские

Виды ледниковых отложений

§ Моренные – глинистые грунты с примесью крупнообломочных частиц

§ Озерно-ледниковые - слоистые глинистые грунты и песчаные грунты, образовавшиеся во внутренних озерах ледников.

§ Флювиогляциальные – песчаные грунты, галька, наносимые по окаймляющим ледник областям водными потокам при таянии ледника 2,Фазовое строение грунта. Классификация и свойства твердой фазы грунтов.

 

Грунт – это многокомпонентная дисперсная (мелкораздробленная) среда, состоящая из твёрдой, жидкой и газообразной фазы.

Свойства грунта определяются свойствами каждой фазы и характером их взаимодействия друг с другом

Для грунта, как многокомпонентной среды в первую очередь необходимо определить:

§ свойства каждой фазы в отдельности;

§ количественное соотношение (объемное, весовое) между фазами;

§ характер взаимодействия между фазами.

Свойства твердой фазы

ü по минеральному составу;

ü Полевой шпат

ü Кварц

ü Монтмориллонит

ü Каолинит

ü Иллит

ü Атапульгит

ü и др.

 

ü по размеру частиц;

 

§ Валуны > 200мм.

§ Галька 200-40мм.

§ Гравий 40-2мм.

§ Песчаные частицы 2-0,05мм

§ Пылеватые 0,05-0,005мм.

§ Глинистые частицы < 0,005мм.

 

Гранулометрический состав - содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различного размера по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта.

По гранулометрическому составу выделяют

§ валунный ( > 200мм > 50%);

§ галечниковый ( > 10мм> 50%);

§ гравийный (> 2мм > 50%);

§ песок (>2мм <50% и >0.1мм <75%)

§ пылеватые грунты

§ глинистые грунты

 

Степень неоднородности оценивается по кривой гранулометрического состава и показывает насколько отличаются содержания фракций различного диаметра.

Максимальная степень неоднородности определяет из выражения:

В зависимости от величины U_max грунты подразделяются на:

 

ü однородные;

ü среднеоднородные;

ü неоднородные;

ü повышенной неоднородности.