Происхождение, состав и физические свойства грунтов

Лекция №1.*

 

Происхождение, состав и физические свойства грунтов

 

Происхождение горных пород

По своему происхождению  (генезису) горные породы делятся на:

• магматические (образовались при остывании магмы и горообразовательных процессах);
• осадочные (образовались в результате физического и химического выветривания горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды и воздуха);
• метаморфические (образовались в результате изменений магматических и осадочных пород под влиянием высоких температур и больших давлений).

 

Составные части грунта

В общем случае грунт состоит из трех компонентов (трехфазная система):

• твердые минеральные частицы;
• вода в различных видах и состояниях;
• газообразные включения.

 

Состав грунта:

 

Грунт, состоящий из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, является двухкомпонентной (двухфазной системой).

Мерзлые грунты содержат лед и являются четырехкомпонентными (четырехфазными) системами.

Состав грунтов оказывает существенное влияние на его механические свойства.

Твердые минеральные частицы представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам твердых минеральных зерен.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов, которые в совокупности образуют пространственную структуру грунта, способную сопротивляться изменениям объема и формы.

Такие минералы, как   кварц, полевой шпат,  гидрофобны  и не меняют свойств в водной среде. Среди осадочных пород такими минералами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также образующиеся при их цементации песчаники и конгломераты.

К растворимым в воде минералам относятся гипс, кальцит, галит и некоторые другие. Такие породы, как мрамор, известняк, гипс сложены водорастворимыми минералами.

В состав некоторых грунтов входят органические и  органо-минеральные соединения. Органические вещества в грунтах у поверхности земли находятся в виде микроорганизмов, корней растений  и гумуса. Наличие небольшого количества таких веществ в грунте  (свыше 3% в песках и  5 % в пылевато-глинистых грунтах) существенно отражается на его свойствах.

 

Вода в грунтах.

Ее виды и свойства   могут быть весьма разнообразными в зависимости от ее содержания и величины электромолекулярных сил взаимодействия с минеральными частицами. Твердые частицы грунта имеют на поверхности  кристаллических минералов  отрицательный заряд статического электричества. Молекулы воды, являющиеся диполями (атом кислорода заряжен положительно, два атома водорода  – отрицательно), попадая в поле заряда минеральной частицы, притягиваются к ее поверхности. В результате поверхность твердой частицы покрывается слоями молекул воды.

Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной. Самые близкие  к минеральной частице слои в 1-3 ряда молекул образуют пленки прочно связанной адсорбированной воды.  Свойства этой воды существенно отличаются от свойств свободной воды, а плотность достигает 1,2-1,4 г/см3, она имеет повышенную вязкость и не замерзает при температуре до –100о С.

Следующие слои молекул связаны с минеральной частицей значительно меньшими силами, образуют слой рыхлосвязанной воды. Молекулы воды, находящиеся вне сферы действия  электромолекулярных сил взаимодействия с поверхностью  твердых частиц, образуют свободную (гравитационную) воду и капиллярную. Свободная вода подчиняется законам гидравлики, передает гидростатическое давление и может перемещаться под действием разности напоров. За счет сил поверхностного  натяжения вода в капиллярах поднимается над уровнем подземных вод на высоту от 3,5 см в песках до 6,5 м в суглинках.

Структура грунта определяется размерами, формой частиц грунта, их количественным соотношением в единице объема.

В условиях естественного залегания грунты состоят из совокупностей частиц разного размера и формы.

Твердые частицы грунта принято классифицировать по размерам, мм:

• валунные      > 200 мм;
• галечные (щебенистые)             200 – 20 мм;
• гравелистые (дресвяные)  20 – 2 мм;
• песчаные             2 – 0,5 мм;
• пылеватые    0,05 –0,005 мм;
• глинистые           < 0,005 мм.

 

Песчаные частицы подразделяются на крупные, средней крупности, мелкие и тонкие, а пылеватые  – на крупные и мелкие.

Крупные частицы грунта разделяют просеиванием через сита, а частицы менее 0,1 мм определяют по скорости падения  частиц в воде.

Глинистые минералы в большинстве случаев гидрофильны, что обусловлено их поверхностной активностью по отношению к воде. Глинистые минералы  имеют пластинчатую (каолинит, монтмориллонит) или игольчатую (аттапульгит) форму с размерами  кристаллов 1-2 мкм. Чем мельче частицы грунта, тем  больше их удельная поверхность (на 1 см3 или 1 г). Например, частицы глинистого минерала каолинита имеют удельную поверхность 10 м2/г, а монтмориллонита – 800 м2/г. Содержание глинистых минералов оказывает существенное влияние на свойства грунтов.

Таблица 1.1

Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов

по гранулометрическому составу

 

Наименование грунта	Размер частиц, мм	Масса частиц, % от массы  воздушно-сухого грунта
Крупнообломочный: валунный (глыбовый) галечный (щебенистый)       гравийный (дресвяный)  Песок: гравелистый крупный     средней крупности   мелкий пылеватый	> 200 > 10 > 2     > 2 > 0,5 > 0,25 > 0,1 > 0,1	> 50 > 50 > 50     > 25 > 50 > 50 75 < 75

В зависимости от процентного соотношения (по массе) в единице объема того или иного размера частиц грунты подразделяются на типы (табл. 1.1) .

Пылевато-глинистые грунты принято классифицировать в зависимости от количества глинистых частиц в процентах (по массе) (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Классификация пылевато-глинистых грунтов

 

Наименование грунта	Содержание глинистых частиц  по массе , %	Число  пластичности
Глина Суглинок Супесь	> 30 30-10 10-3	> 17 17 7

 

Текстура грунта определяет пространственное расположение частиц и их агрегатов, зависящих от условий образования грунта. Различают слоистую, слитную  и ячеистую текстуры.

 

Характеристики физических свойств грунтов

Состояние грунта в условиях его природного залегания изучается по монолитам грунта, отобранным на строительной площадке из шурфов или скважин. Из монолитов в лаборатории вырезают образцы грунта и экспериментально определяют следующие его характеристики: плотность, плотность твердых частиц грунта и влажность.

Представим некоторый объем трехкомпонентного (трехфазного) грунта массой , разделенный на отдельные компоненты (рис. 1.1), где

• и – соответственно масса и объем твердой фазы;
• и – соответственно масса и объем жидкой  фазы;
• и – соответственно масса и объем газообразной фазы.

Рис. 1.1

Основные характеристики физического состояния грунта:

• плотность грунта естественной структуры равна отношению массы грунта к его объему (г/см3 , т/м3);
• плотность твердых частиц грунта равна отношению массы твердых частиц  к их объему (г/см3 , т/м3);
• влажность грунта равна отношению массы воды к массе твердых частиц (д.е. или %).

Плотность определяется методами режущего кольца или гидростатического взвешивания (рис. 1.2).

 

Рис. 1.2

 

Плотность твердых частиц грунта определяется с помощью специальных колб-пикнометров [ГОСТ 5281-78]. Для основных породообразующих минералов плотность частиц изменяется в небольших интервалах и в среднем может приниматься равной: для песков – 2,65 т/м³, для супесей и суглинков – 2,70 т/м³, для глин – 2,75 т/м³.

С использованием трех основных характеристик, определенных опытным путем , остальные вычисляются по формулам. Плотность грунта в сухом состоянии (плотность скелета грунта) равна отношению массы твердых частиц к объему образца ненарушенной структуры до высушивания:

 

           .                                (1.1)

 

  По  плотностям  , и находятся соответственно удельный вес грунта , удельный вес твердых частиц грунта и удельный вес грунта в сухом состоянии в кН/м³:

                          ,                                                 (1.2)

 ,                                                 (1.3)

,                                                 (1.4)

 

где  - ускорение свободного падения, равное  9,81 м/с².

Эта характеристика используется при вычислении других характеристик и в частности расчетного сопротивления грунта основания, напряжений от собственного веса грунта, в расчетах общей устойчивости массивов, а также при определении давления грунта на подпорные стенки.

Коэффициент пористости представляет собой отношение объема пор в единице объема грунта к объему твердых частиц:

                                       

.                                          (1.5)

 

В зависимости от коэффициента пористости песчаные грунты разделяются на плотные, средней плотности и рыхлые. Считается, что при грунты могут служить хорошим основанием.

Пористость равна объему пор в единице объема грунта:

 

                                        .                                              (1.6)

 

Степень влажности представляет собой отношение объема поровой воды к объему пор:

 

                               ,                                          (1.7)

 

где - плотность воды, принимаемая равной  1 г/см³ или 1 т/м³.

 

По степени влажности различают песчаные грунты:

• маловлажные    ;
• влажные      ;
• насыщенные водой   .

При глинистые грунты уже не могут быть классифицированы как просадочные.

Удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды , равный разности между удельным весом сухого грунта и отношением веса воды в объеме твердых частиц ко всему объему грунта, вычисляется по формуле:

             ,                                             (1.8)

 

где - удельный вес  воды, принимаемый равным  10 кН/м³.

Взвешивающее действие подземных вод учитывается в расчетах при определении напряжений от собственного веса грунта.

Для оценки состояния глинистого грунта необходимо знать его природную влажность и те характерные влажности, при которых грунт переходит от текучего состояния к пластичному и от пластичного к твердому .

Разность между значениями влажностей на границах текучести и раскатывания называется числом пластичности 

                                     

  .                                        (1.9)

 

По числу пластичности в % устанавливается наименование грунта. Связные грунты в зависимости от числа пластичности разделяются на:

супеси    при  1 ≤  ≤7;

суглинки    при  7 <  ≤ 17;

глины     при         > 17.

 

Характеристика состояния грунта - показатель текучести вычисляется по формуле:

 

                                     ,                                         (1.10)

 

где  - влажность грунта,  %.