Состав и строение грунтов

Грунт как многокомпонентная динамичная система

В общепринятом определении понятия «грунт» заложено пони­мание его как многокомпонентной динамичной системы. В соответ­ствии с этим определением в грунтах можно выделить четыре ком­поненты (фазы):

твердую — минеральная часть грунта, твердое органическое ве­щество;

жидкую — вода, заполняющая промежутки между твердыми ми­неральными частицами;

газовую — газы в пустотах грунта;

биотическую (живую) — микроорганизмы и другие живые орга­низмы.

Суммарный объем многокомпонентной системы грунта (V_tot) скла­дывается из объемов: твердой минеральной части (V_sk), жидкого ком­понента (V_w), газовой фазы (V_a) и биотической (живой) составляю­щей (V_b):

V_tot = V_sk + V_w + V_a + V_b:

3

В зависимости от соотношения в грунтах различных компонент различают четырех-, трех-, двух- и однокомпонентные системы (рис. 5.1, по Е.Г. Чаповскому).

Рис. 5.1. Схема составных частей грунта: а — абсолютно сухая порода (однокомпонентная система); б и в — трехкомпонентные системы; г — двухкомпонентная система; 1 — зерна породы (скелет); 2 — воздух; 3 — пленка связанной воды; 4 — защемленные пузырьки воздуха; 5 — вода

Почва, например, представляет собой четырехкомпонентную си­стему (минеральные частицы + вода + газы + гумус), глинистый грунт — трехкомпонентную (минеральные частицы + вода + газы), полностью водонасыщенный грунт — двухкомпонентную (минераль­ные частицы + вода). В природных условиях однокомпонентные системы практически отсутствуют, так как даже в таких грунтах, как гранит, песчаник и др., благодаря наличию микропор и волосных трещин, может содержаться воздух либо вода.

Соотношение твердой, жидкой, газовой и биотической компонент имеет важнейшее значение, так как во многом определяет состав, со­стояние и свойства грунтов. Следует учитывать, что на эти параметры влияет не только относительное содержание отдельных компонент грунта, но и характер взаимодействия между ними. Он может иметь как химическую природу (окисление, растворение и др.), так и физи­ко-химическую (ионный обмен, образование двойного электрическо­го слоя и др.).

Важно подчеркнуть также, что грунт не только многокомпонент­ная система со сложным взаимодействием между отдельными его составляющими элементами, но и весьма динамичная система. Грунт - это не застывшая система. Под влиянием природных и техноген­ных факторов его состав, строение и свойства могут существенно из­меняться во времени. Это важнейшее положение необходимо учиты­вать при оценке поведения грунтов как при строительстве, так и в период эксплуатации объектов.

Твердая компонента грунта. Минеральный, химический и гранулометрический состав

Для характеристики твердой компоненты грунта определяют его минеральный, химический и гранулометрический состав.

Минеральный (или минералогический) состав грунтов. Твердая компонента грунтов состоит из первичных и вторичных минералов (частиц). Первичные, или породообразующие, минералы (кварц, слю­ды, полевые шпаты и др.) образуют скелет грунта. Вторичные (гли­нистые минералы, оксиды и гидроксиды железа и алюминия и др.) минералы, образовавшиеся в результате различных физико-химичес­ких процессов, выполняют роль цементирующего вещества. Они ока­зывают огромное влияние на инженерно-геологические свойства гли­нистых грунтов. Особенно это относится к глинистым минералам (гид­рослюда, каолинит, монтмориллонит и др.), которые отличаются ис­ключительно высокой дисперсностью (размер частиц менее 1 мкм) и гидрофильностью (особенно минералы типа монтмориллонита).

К группе вторичных минералов относятся и простые минералы — соли, растворимые в воде. Среди них выделяют: легкорастворимые — галит, мирабилит, бишофит и др.; среднерастворимые — гипс, ан­гидрит и труднорастворимые — кальцит, доломит, магнезит и др.

Для инженерно-геологических Целей важной является также классификация минералов по их устойчивости к разрушительным процессам выветривания. К весьма устойчивым относят кварц, цир­кон, магнетит и др.; к среднеустойчивым — полевые шпаты, слю­ды, хлорит, пироксены и др.; к слабоустойчивым — гипс, галит, ангидрит, лимонит и другие минералы.

В некоторых грунтах, преимущественно глинистых, как в рассе­янном виде, так и в форме концентрированных скоплений (торф и др.) могут содержаться органическое вещество и органоминераль­ные комплексы.

Твердая компонента грунта может быть представлена и льдом в виде мелких кристаллов, равномерно распределенных в грунте, или более или менее крупных линз (прослоев) (многолетнемерзлые грунты).

Химический состав грунтов может быть определен с помощью /валового (общего) химического анализа, который показывает содер­жание в грунте различных оксидов: Si0₂, А1₂0₃, Fe₂0₃, CaO, MgO, Na₂0, К₂О и др. В инженерно-геологических целях этот вид анализа применяется сравнительно редко (диагностика состава глинистых минералов и др.). Значительно чаще для характеристики химичес­кого состава засоленных грунтов используют водные вытяжки (для легкорастворимых солей) и солянокислые (для средне- и труднора­створимых солей). Эти анализы важны, так как присутствие в грунте, например, легкорастворимых солей оказывает значительное вли­яние на их свойства.

Гранулометрический (зерновой, механический) состав показы­вает содержание в грунте твердых частиц того или иного размера, выраженное в процентах к массе абсолютно-сухого грунта.

Гранулометрический состав определяют только для крупнообло­мочных, песчаных и глинистых грунтов. Помимо классификацион­ной характеристики данные о гранулометрической* составе исполь­зуют для оценки пригодности грунтов в качестве материала для от­сыпки насыпей, земляных плотин, составления оптимальных до­рожных смесей грунта, выбора оптимальных отверстий для фильт­ровых колонн и др.

В понятие «гранулометрический состав» входит определение ко­личественного содержания в грунте только первичных частиц (не сцепленных в микроагрегаты). Поэтому в процессе подготовки грунта к анализу природные микроагрегаты разрушают и разделяют их на первичные частицы. Таким образом, гранулометрический состав ха­рактеризует не естественную, а предельную дисперсность (степень раздробленности), которая постоянна для данного грунта и может служить классификационным показателем 1.

Для более полного представления о дисперсности грунта и ха­рактере структурных связей определяют и его микроагрегатный со­став, который показывает количественное содержание в природном грунте твердых водостойких микроагрегатов;

Определение гранулометрического (зернового) состава по ГОС­Ту 12536—79 производят путем разделения грунта на фракции, т. е. на группы частиц с близкими по величине размерами, и установле­нием их процентного содержания (табл. 5).

Таблица 5

Основные гранулометрические фракции

Стандарт	Фракции, мм
	Крупнообло- мочная	Песчаная	Пылеватая	Глинистая
ГОСТ25100-95	Более 2	2 -0,05	0,05 - 0,005	Менее0,005

Гранулометрический анализ песчаных грунтов выполняют пу­тем последовательного их рассеивания на ситах с отверстиями диа­метром 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25 и 0,10 мм. Основным методом грану­лометрического анализа глинистых грунтов, выполняемым в инже­нерно-строительной практике, является ареометрический. Метод основан на определении плотности глинистой суспензии через оп­ределенные промежутки времени с помощью стеклянной трубки — ареометра. Расчет диаметра частиц и процентного содержания фрак­ций производится по специальной номограмме с учетом показаний ареометра, температуры суспензии и др.

Результаты гранулометрического анализа грунтов представляются в виде таблиц и различных графиков, из которых чаще всего используются треугольные диаграммы и интегральные (или суммарные) кривые.

Интегральные кривые гранулометрического состава, выполнены в полулогарифмическом масштабе, позволяют находить действующий (эффективный) диаметр (d₁₀), т. е. такой размер частиц, меньше которого в грунте содержится 10% всех частиц, а также средний диаметр (d₆₀), меньше которого в грунте содержатся 60% всех частиц.

Отношение называется коэффициентом неоднородности грунта (K_н). При К_н ≤ 3 грунт считается однородным по гранулометрическому составу, при К_н > 3 - неоднородным, плохо отсортированным (ГОСТ 25100—95).