ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ

---

Классификация грунтов Гост 25100–95

Грунт – горные породы, почвы, техногенные образования, являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Различают грунты: скальные – монолиты или трещиноватые массивы, рыхлые (нескальные) – крупнообломочные, песчаные и глинистые породы.

Грунты могут служить:

– материалом оснований сооружений,

– материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин),

– средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.

Классы грунтов

Природные скальные грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными).

Природные дисперсные – грунты с механическими и водноколлоидными структурными связями.

Природные мерзлые – грунты с криогенными структурными связями.

Техногенные (скальные, дисперсные и мерзлые) – грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека.

Термины и определения

Грунт скальный, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа (прочность на одноосное сжатие R_с>5 Мпа).

Грунт полускальный – грунт, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа (прочность на одноосное сжатие R_с≤5 Мпа).

Грунт дисперсный – грунт, состоящий из отдельных зерен разного размера, слабосвязанных друг с другом – результат выветривания скальных грунтов, транспортировки продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.

2.2. Физические свойства грунтов

Плотность (объемный вес) – один из наиболее важных показателей: масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогии. У дисперсных грунтов ρ₀=1,3–2,0 г /см³, ρ₀=2,5–3,3 г /см³ у скальных.

                                                          ρ₀=m/V,                                                     (2)

где, m – масса с естественной влажностью, V – объем грунта ненарушенного сложения.

Плотность частиц грунта (удельный вес) – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρ_s=2,2–3,2 г /см³.

ρ_s=(m–m_в)/V–V_пор,                                             (3)

где, m_в – масса воды, V_пор – объем пор.

Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при tº=105º–107º  в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы.

Удельный вес (γ) – отношение веса грунта и воды, содержащейся в порах, к объему грунта.

Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, но чаще в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц.

Физические значения плотности применяются:

1. для характеристики физических свойств породы как основания или строительного материала.

2. для расчетов при динамических нагрузках.

2.3. Водно-физические свойства грунтов

Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость.

Природная влажность – отношение массы воды, содержащейся в в порах породы, к массе сухой породы, W, д.е.

                                                    W=(m–m₁)/m₁,                                                (4)

где m – масса грунта вместе с содержащейся в ней водой, m₁ – масса высушенного грунта, г.

Полная влагоемкость – максимальное содержание воды, содержащееся в породе, W_п, д.е.

                                                         W_п,=n/ρ_d,                                                    (5)

где, n – пористость грунта, ρ_d – плотность сухого грунта.

Коэффициент водонасыщения грунта (степень влажности) – степень заполнения объема пор водой, S_r, д.е.

                                                      S_r=W·ρ_s/eρ_w,                                                  (6)

где, W – природная влажность грунта, д.е.; е – коэффициент пористости; ρ_s – плотность частиц грунта, г/см³; ρ_w – плотность воды, 1 г/см³.

Критерий физического состояния глинистых грунтов (J_p; J_L)

Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси.

Пластичность – способность пород изменять под действием внешних сил (давление) свою форму без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось – характеристика определяемая деформируемость.

Чтобы выразить пределы влажности, при которых грунты обладают пластичностью, вводят понятие верхнего и нижнего предела пластичности.

W_L – граница текучести соответствует такой влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём).

W_p – граница раскатывания соответствует такой влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём). Определение характерных влажностей W_L и W_p для глинистых грунтов является кропотливым лабораторным процессом и требует определенных навыков и даже профессиональной подготовки.

Число пластичности J_p=W_L–W_p.

Показатель текучести J_L=(W–W_p)/(W_L–W_p).

Таблица 6

Зависимость расчетного сопротивления R глинистых

(связных) грунтов нагрузкам от величины J_L, (табл. СНиП 2.02.01–83).

2.4. Деформационные свойства

Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа зависит:

– от гранулометрического состава,

– минералогического состава,

– структуры и текстуры пород.

2.5. Прочностные свойства

Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические и определяются только при разрушении грунта.

Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа.

                                                       Τ=Рtgφ+С,                                                   (7)

где, τ – предельное сдвигающее напряжение, Мпа; Р – нормальное давление, МПа, tgφ – коэффициент внутреннего трения; φ – угол внутреннего трения, град., С – сцепление, МПа.

Величины φ и С – параметры зависимости сопротивления грунта сдвигу, и применяются для расчета прочности и устойчивости массива грунтов.

Для скальных грунтов прочность характеризует предел прочности на одноосное сжатие R_с (МПа).

2.6. Классификационные показатели глинистых грунтов

По содержанию глинистых частиц (<0,005 мм) все дисперсные грунты можно разделить:

Глины – >30 %;

Суглинки – 10–30 %;

Супесь – 10–2 %;

Песок – <2 %.

Таблица 7

По показателю текучести I_L глинистые грунты подразделяются

Таблица 8

По числу пластичности I_P глинистые грунты подразделяются

Примечание: Илы подразделяются по значениям числа пластичности, указанным в таблице, на супесчаные, суглинистые и глинистые.

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки).

Набухание зависит:

– от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

– от химического состава воды, взаимодействующей с породой. Бентонитовая глина V увеличивается на 80 %, каолиновая – 25 %.

Таблица 9

По относительной деформации набухания без нагрузки ε_sw глинистые грунты подразделяются

Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании.

Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05-0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость > 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

По относительной деформации просадочности ε_sl глинистые грунты разделяются: просадочные ε_sl ≥ 0,01 и непросадочные ε_sl<0,01.

Таблица 10

По относительной деформации пучения ε_fh грунты подразделяются

Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин – разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах, возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов (трамваи в городах).

Ил – водонасыщенный современный или древний осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато- глинистых масс, богатых органикой. Илы практически не держат нагрузки, выдавливаются, при динамическом воздействии разжижаются.

Замена на другой грунт, прорезка слоя ила сваями и опора на прочный грунт, наброска камня, намыв слоя песка.

Заторфованные грунты – песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты  с органикой в виде разложившихся  растительных остатков. Степень разложения: R_р от 0–15 % , R_р от 16–30 % , R_р от 31–50 %, R_р от>50 %.

Торф – высокая влажность, сильная сжимаемость, дает неравномерные осадки. Прорезка сваями, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин.

2.7. Классификационные показатели обломочных грунтов

Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.

Степень неоднородности гранулометрического состава C_u – показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:

                                                        C_u=d₆₀/d₁₀,                                                    (8)

где d₆₀, d₁₀ – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.

Таблица 11

Классификация обломочных грунтов по гранулометрическому составу

Примечания. Для установления наименования грунта последовательно суммируются проценты содержания частиц: сначала – крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм и т.д. При наличии в крупнообломочном грунте песчаного заполнителя более 40 % или глинистого более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта, добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Например, дресва с заполнителем суглинком полутвердым.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты разделяются на: насыщенные водой S_r≥0,8; средней степени насыщения 0,8>S_r>0,5;малой степени насыщения S_r<0,5.

По степени неоднородности С_u крупнообломочные и песчаные грунты: однородные С_u < 3; неоднородные С_u>3.

По коэффициенту выветрелости крупнообломочных грунтов: невыветрелые 0 ≤К_ws<0,5; слабовыветрелые 0,5≤К_ws<0,7; сильновыветрелые 0,75≤К_ws≤1.

Таблица 12

Классификация песков по коэффициенту пористости (е)

2.8. Классификационные показатели скальных грунтов

Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

По пределу прочности на одноосное сжатие R_с, в водонасыщенном состоянии грунты подразделяются:

– очень прочные, R_с>120 МПа;

– прочные, 120>R_с>50 МПа;

– средней прочности, 50>R_с>15 МПа;

– малопрочные, 15>R_с>5 МПа;

– пониженной прочности, 5>R_с>3 МПа;

– низкой прочности, 3>R_с>1 МПа;

– очень низкой прочности, R_с<1.

Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, К_ws,д.е.

                                                        К_ws = ρ/ρ₀,                                                    (9)

где, ρ – плотность выветрелого, ρ₀ – плотность монолитного грунта.

По коэффициенту выветрелости скальные грунты подразделяются

невыветрелые (монолитные) К_ws=1,0

слабовыветрелые 1≥К_ws>0,9,

выветрелые 0,9≥К_ws>0,8,

сильновыветрелые (рухляки) К_ws<0,8.

Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости К_sof, д.е., отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

По коэффициенту размягчаемости грунты подразделяются:

– неразмягчаемые К_sof>0,75;

– размягчаемые К_sof<0,75.

К содержанию Учебника