1.2.2. Грунты морского дна

Морские грунты отличаются от наземных незначительно, однако они имеют некоторые характерные особенности, а именно:

• диагенез грунтов в море часто не столь древен, как на суше. Од­нако, встречается много исключений из этого правила (например, север­ная часть Северного моря);

• соотношения различных элементов, составляющих грунты, ино­гда весьма различны: часто встречающийся в море известковый песок, отношение глины к песку в котором очень высоко, особенно при больших глубинах воды и т.д.;

• общая насыщенность морских грунтов обычно упрощает задачи механики грунтов. Однако, вследствие декомпрессии кернов иногда вы­деляется значительное количество растворенного газа (особенно в дельто­вых зонах);

• эрозионные явления также вносят отличия, иногда значительные, в свойства наземных грунтов.

Механика морских грунтов также несущественно отличается от механики наземных грунтов. Однако условия окружающей среды порож­дают многие трудности, которые следует иметь в виду при выборе участ­ка для строительства сооружений на море:

- техника исследования морских грунтов отличается от техники исследования наземных грунтов (непосредственные измерения и отбор керна), но вследствие трудностей, встречающихся при проведении раз­ведки и больших затрат на выполняемые операции, данные разведки мор­ских грунтов неизменно менее обстоятельны, чем данные разведки назем­ных грунтов, и зачастую недостаточны;

30

• неполные и даже сомнительные знания механических свойств грунтов вкупе с такими же ограниченными познаниями в отношении буду­щих морских строительных площадок зачастую приводят к значительному увеличению размеров оснований сооружений с таким запасом прочности, который значительно превышает запас прочности, применяемый на суше;

• внушительные размеры и условия монтажа оснований для мор­ских сооружений редко встречаются на суше: забивка свай на глубину до 100 м, тяжелые основания, имеющие габариты 100 и более метров и уста­новленные на неровное дно, и т.д.;

• боковые нагрузки, которым подвергаются морские сооружения, обычно весьма значительны и в большинстве случаев совершенно не срав­нимы с нагрузками, которым подвергаются наземные сооружения.

Перед лабораторным анализом грунтов, взятых различными мето­дами (ударом, вращением, вибрацией, давлением и т.д.), стоят три цели:

• идентификация грунтов;

• измерение прочности на сдвиг различных слоев для прогнозиро­вания поведения сооружения в статических и динамических условиях;

- определение деформационных характеристик грунтов с целью оценки возможной осадки под сооружением.

Результаты лабораторных экспериментов, проводимых после воз­вращения на сушу, часто недостоверны вследствие неудовлетворительно­го сохранения черновых образцов и длительности их транспортировки и др. Поэтому рекомендуется большую часть исследований по идентифика­ции грунтов и простых измерений прочности на сдвиг проводить непо­средственно на исследовательском судне.

Идентификация грунтов состоит в описании грунтов с точностью, достаточной для того, чтобы сравнивать их с другими грунтами. Все стан­дартные методы идентификации имеют чисто условный характер; тща­тельное их выполнение позволяет получить относительно сравнимые ре­зультаты.

Содержание воды W - это отношение массы воды к массе сухого грунта (в %):

W=	Pw	x100
	Pсух.гр

где Pw - потеря массы образца после сушки при температуре 105°С в те­чение 24 часов.

Содержание воды в грунтах в зависимости от степени их уплотне­ния значительно меняется, например:

• нормально уплотненные глины: W ≈30 - 60 %;

• очень плотные глины: W ≈10 - 15 %;

31

• переуплотненные глины Северного моря: W ≈20 - 25 %;

• мягкие высококоллоидальные глины: W ≈200 %;

• пески: W ≈15 -35%.

В механике грунтов рассматриваются следующие плотности:

• плотность во влажном состоянии γ: масса единицы объема грун­та, включая и массу содержащейся в нем воды (кг/м³);

• плотность в сухом состоянии γ_d: масса единицы объема грунта после выдерживания в течение 24 часов в эксикаторе при температуре 105 °С (кг/м³);

• плотность в погруженном (в воду) состоянии γʹ: 0,1 веса единицы объема в погруженном состоянии (кг/м³);

- удельный вес G: вес единицы объема твердого зерна (Н/м³). Пористость n - это отношение объема пор к общему объему тела. Поровое (пустотное) отношение е - это отношение объема порово-

го пространства к объему твердой части тела.

Для большинства обычно встречающихся в грунтах минералов плотность можно принять равной примерно 2700 кг/м³.

В табл. 1.5 приведены некоторые значения W, γ и γ_d для наиболее распространенного содержания воды в морских грунтах.

На практике чаще всего встречаются следующие значения (в кг/м³):

γ = от 1700 до 2200;

γ d=	глины:1300-1700; пески: 1600-1700.

Таблица 1.5

Некоторые характеристики грунтов

Содержание воды, W%	Плотность во влажном состоянии, γ (кг/м3)	Плотность в сухом состоянии γd (кг/м3)	Примечание
15	2210	1920	Переуплотненные глины Северного моря
20	2100	1750
30	1940	1490	Мягкие глины: дельтовые зоны, абиссальная равнина Ирландского моря
40	1820	1300
50	1720	1150
75	1560	890
100	1460	730

32

Определение распределения частиц по размерам осуществляется:

• просеиванием для зерен размером более 100 мкм;

• седиментацией в жидкости для более мелких зерен.

Как при просеивании, так и при осаждении важнейшим для срав­нения различных результатов являются рабочие условия, а именно:

• метод просеивания зерен;

• метод поддерживания разделения (дефлокулянты и т.д.), от кото­рых целиком зависят результаты.

Для просеивания приняты сетки, определяемые размером отвер­стий. Это набор сит в соответствии со стандартом. Для изучения седимен­тации применяется закон Стокса, при этом форма частиц подразумевается сферической.

В зависимости от принятого стандарта диапазон распределения частиц по размерам может быть иным.

В настоящее время в мировой практике приняты следующие обо­значения (по размерам частиц):

• гравий = 20-2 мм;

• песок = 2 мм - 50 мкм;

• ил = 50-5 мкм;

• глина = < 5 мкм.

Определение «глина» является чисто гранулометрическим и не имеет никакого отношения к минералогическому составу частиц (рис.1.5). Водосодержание характеризует состояние грунта. По определению:

• предел ожиженности W_L - это водосодержание, выше которого грунт начинает вести себя как полужидкость и течет под действием соб­ственного веса;

• предел пластичности Wp - это водосодержание, ниже которого грунт теряет свою пластичность и становится рыхлым.

Показатель пластичности Iр определяется по формуле:

Iр = (W_L -Wp)x 100/W_L

и имеет тем большее значение, чем более «глинистым» является грунт:

- если Iр ≈ 10%, то грунт малоглииистый;

- если Iр > 30%, то грунт высокоглинистый. Переуплотненные глинистые грунты, встречающиеся в нескольких

районах Северного моря, имеют:

- показатель пластичности Iр ≈ 20-30 %;

- содержание воды - 20-25%, обычно очень близко к пределу пла­стичности W_p,

33

Рис. 1.5. Общепринятые пределы распределения зерен по размеру. Проницаемость грунтов

Закон Дарси, описывающий течение воды в грунте, имеет следую­щий вид:

V = k·i,

где V- скорость фильтрации;

k - коэффициент проницаемости:

i- гидравлический градиент.

Проницаемость в значительной степени меняется в зависимости от природы грунта, а для грунта одного и того же типа - в зависимости от места. В качестве примера можно привести следующие значения К:

- для песка К = 10 – 10^-4 см/с (плотные пески Северного моря с влажностью W≈ 100 % имеют проницаемость К ≈ 10^-3 см/с);

для ила К = 10 - 4 – 10^-7 см/с;

для глины К = 10^-7 – 10^-10 см/с.