1.4. Инженерно-геологические свойства грунтов

Для оценки поведения грунтов при взаимодействии с сооружениями и определения устойчивости последних необходимо иметь количественные характеристики, или так называемые показатели свойств грунтов. Они определяются различными методами, которые делятся на полевые и лабораторные. Первые стоят дороже, но дают более надежные результаты.

Свойства грунтов в лабораторных условиях определяют по их образцам, отобранным в отдельных пунктах исследуемого района. Число лабораторных определений обычно значительно превышает число полевых опытов.

При проведении исследований, как правило, сочетается применение полевых и лабораторных методов. Виды показателей свойств и степень детальности их определения зависят от типов грунтов, цели исследований, этапов и стадий проектирования, класса капитальности, сооружений или систем.

При строительстве и эксплуатации сооружений и систем наиболее важны физические, водные и механические свойства грунтов.

1.4.1. Физические свойства грунтов

Физические свойства грунтов характеризуют физическое состояние грунтов; к ним относят плотность, скважность и пористость. Независимо от характера связей между частицами все горные породы не представляют собой абсолютно плотных тел, и имеют свободные промежутки и пустоты, которые могут быть заполнены газами или жидкостями и служить каналами для их передвижения.

Образование в горных породах пустот и промежутков происходит одновременно с образованием самих пород. Так, уже в процессе отвердевания или застывания лавы или магмы в магматических породах образуются трещины отдельностей. В процессе седиментации осадочных пород в них появляются пустоты от пузырьков газа.

В нескальных породах наличие пор обусловлено неплотным примыканием друг к другу минеральных частиц неправильной формы. Выветривание и другие геологические процессы приводят к значительным изменениям существовавших пустот и к образованию новых. Размеры и расположение пустот в горных породах существенно влияют на содержание и на передвижение в них воздуха и воды.

По размерам пустоты делят на три группы:

• крупные, или некапиллярные, с диаметром пор более 1,0 мм или шириной трещин более 0,25 мм, где вода может передвигаться свободно под действием силы тяжести, не испытывая заметного противодействия со стороны сил поверхностного натяжения;

• капиллярные с диаметром пор от 1,0 до 0,0002 мм или шириной трещин от 0,25 до 0,0001 мм, где движение воды происходит под действием сил капиллярного натяжения и гидростатического напора;

• субкапиллярные, с диаметром пор менее 0,0002 мм или шириной трещин менее 0,0001 мм, где к действию сил капиллярного натяжения прибавляется действие сил электромолекулярного притяжения воды к частицам породы.

Представим себе объем породы V, в котором некоторая часть будет занята пустотами V_п, а остальная часть - минеральными частицами (минеральным скелетом) породы V_ск.

Зависимость между величинами выразится равенством:

Отношение объема пустот V_п к общему объему породы V, выраженное в процентах, дает величину:

В тех случаях, когда величина n характеризует наличие крупных некапиллярных пустот, ее называют скважностью. Обычно понятие скважности относится к скальным или крупнообломочным породам.

Если величина n характеризует наличие капиллярных и субкапиллярных пустот, ее называют пористостью. Понятие пористости обычно относится к нескальным породам.

Для нескальных пород, кроме пористости, вычисляют еще величину приведенной пористости или, как ее чаще называют, - величину коэффициента пористости , которая представляет собой отношение объема пустот V_п к объему минерального скелета V_ск:

Величины пористости и коэффициента пористости связаны между собой простой зависимостью:

Плотность грунтов характеризуется тремя показателями: плотностью минеральной части у_м, плотностью породы у и плотностью скелета :

где m_ск - масса твердой части грунта; m_в - масса воды; V_ск объем твердой части грунта скелета; _Vск - объем пор в грунте; - влажность грунта [8].

По плотности минеральной части и плотности скелета можно вычислить показатели скважности - пористость п и коэффициент пористости грунта :

В грунтах с жесткими структурными связями - скальных и полускальных - скважность представлена главным образом трещиноватостью. Трещиноватость - один из главных факторов влияющих на прочность этих пород. По происхождению трещины в горных породах делятся на литогенетические, тектонические и экзогенные.

Первые образуются в процессе формирования горных пород (трещины в магматических породах и трещины напластования в осадочных). Вторые развиваются уже в сформированных породах под влиянием тектонических сжимающих и растягивающих сил, превышающих прочность пород. Экзогенные трещины могут быть естественными и искусственными.

Естественные трещины образуются в породах при выветривании, просадке, оползании и разгрузке в присклоновой части. Искусственные трещины – это трещины разгрузки, которые возникают вблизи карьеров и котлованов и при взрывах.