Часть V. Грунтоведение

В инженерной геологии горные породы характеризуются по их строительным свойствам, то есть по несущей способности (в качестве оснований зданий и сооружений), по их пригодности в качестве строительных материалов и т.д. Поэтому, инженерно-геологическая характеристика существенно отличается от характеристики чисто геологической. В самом деле, в инженерно-геологическом смысле нет никакой разницы, например, между гранитом и диоритом или песчаником и кварцитом. В здоровом, невыветрелом состоянии, все эти породы могут служить надежным основанием под любые сооружения. С другой стороны, из одной группы пород (в геологическом смысле) в инженерной геологии иногда выделяют несколько групп по специфическим свойствам – растворимости, размягчаемости в воде, пористости и другим свойствам.

Глава 1. Инженерно-геологическая классификация грунтов

В инженерной геологии все горные породы называют грунтами, поэтому в дальнейшем изложении термины «порода» и «грунт» следует воспринимать одинаково. Вместе с тем, иногда необходимо различать грунты (или породы) по характеру их внутренних связей. В этом случае нескальные, дисперсные грунты с прочностью внутренних связей между частицами во много раз меньшей прочности самих частиц называют грунтами, а скальные грунты, у которых прочность связей сопоставима с прочностью частиц – породами.

Грунты в классификации разделяются по видам связей между частицами (см. табл. 5.1):

1. Жесткие, прочные связи, не изменяющиеся при увлажнении (магматические, метаморфические, некоторые осадочные породы);

2. Жесткие, прочные связи, ослабляющиеся при увлажнении;

3. Подвижные водно-коллоидные связи, резко изменяющие свою прочность при увлажнении или осушении;

4. Отсутствие связей.

Глава 2. Физические и физико-механические свойства горных пород и грунтов

§1. Физические свойства. Показатели, характеризующие состав и состояние горных пород и грунтов

Для горных пород определяют петрографический состав, чтобы определить, к какой группе по классификации отнести данную породу. Для несвязных (зернистых) и связных (глинистых) грунтов определяют петрографический и минералогический состав. Химический состав определяют для несвязных (зернистых) и связных (глинистых) грунтов.

Гранулометрический состав (d) определяется для нескальных (глинистых и обломочно-зернистых) грунтов.

Гранулометрический состав – процентное содержание в грунте (по весу) фракций (частиц) того или иного размера (см. табл. 5.2).

Для обломочные грунтов гранулометрический состав определяется путем поочередного просеивания на ситах с различными отверстиями с взвешиванием каждой фракции.

Для глинистых грунтов, характеризующихся размерами частиц менее 0,1мм - путем измерения скорости осаждения частиц в воде.

Таблица 5.2

Гранулометрический состав по гост-25100

Размер фракций, мм	Наименование грунта
 200	Валуны, глыбы
10-200	Галька, щебень
2-10	Гравий, дресва
0,05-2	Песок: крупный 0,5 средний 0,25 мелкий 0,1 пылеватый (частиц 0,1мм менее 75%)
0,05-0,005	Пыль
0,005	Глина

Показателем плотности горной породы(e и n) является ее пористость. Любая порода не является абсолютно плотным телом: в магматических породах, при их остывании, образуются трещины (отдельности или контракционные); при седиментации осадочных пород появляются пустоты от пузырьков газа; в нескальных грунтах отмечается неплотное прилегание частиц друг к другу. Процессы выветривания также влияют на образование и развитие пустот.

V=Vn+Vск,

где V – изначальный объем грунта;

Vск – объем частиц или минерального скелета;

Vn – объем пустот.

Объем минерального скелета грунта (Vск) определяется после высушивания грунта до полного испарения имеющейся в нем воды. Объем пустот (Vn) – определяется как разница V-Vск.

Пористость грунта выражается в долях единицы и обозначается буквой n.

n = = х100.

Для нескальных грунтов также вычисляют коэффициент пористости, который обозначается буквой е и выражается в процентах:

е = = .

Величины е и n взаимосвязаны:

n = ; е = .

Горные породы, в зависимости от состава и сложения, обладают свойствами водопроницаемости, водопоглощения, водоотдачи и растворения.

Влажностью породы (грунта) W называют отношение массы воды в порах породы к массе минерального скелета породы (выраженное в долях единицы):

W = = .

Наибольшая возможная влажность, когда все поры заполнены водой, называется полной влагоемкостью породы W_n.

В естественном залегании порода, в зависимости от условий, обладает влажностью от 0 до W_n .

Критерием заполнения пор в породе служит коэффициент водонасыщения или степень влажности G.

G= .

По степени влажности различаются обломочные (несвязные) грунты:

G ≤ 0, 5 - сухие и маловлажные грунты;

0,5 < G < 0,8 - влажные и очень влажные грунты;

0,8 < G ≤ 1- водонасыщенные грунты.

Плотность (удельная масса) горной породы, это отношение вещества породы к объему вытесненной ей воды:

ρ_уд = .

Объемная масса (ρ_об) – отношение массы образца породы ненарушенного строения к ее объему:

ρ_об = ,

если высушить породу (удалить из нее воду) и при этом объем не изменится, то получим объемную массу скелета (ρ_ск):

ρ_ск = .

Различие между всеми этими показателями обусловлено наличием в породе пор, в той или иной степени заполненных водой.

Эти показатели, а также пористость, коэффициент пористости и влажность взаимосвязаны между собой:

ρ_уд = = ρ_ск ^. (1+ е),

ρ_об = ρ_ск ^. (1+ W),

W = = .

Пример: V образца = 100 см³; Р (масса) = 180г; Рск (масса после высушивания) = 144г; уд(плотность) = 2,7г/см³.

W = =0, 25; об = =1, 8 г/см³; ск = =1, 44 г/см³;

е = =0,875 ^.100 = 87,5%; n = =0,466.

Глинистые грунты обладают свойством пластичности, то есть способностью изменять форму без разрывов и трещин под воздействием внешних сил. После удаления воздействия полученная форма сохраняется.

Грунты бывают пластичными только при определенной влажности. Если влажность глинистого грунта повышать, то в определенный момент он потеряет свойство пластичности и перейдет в текучее состояние (состояние вязкой жидкости). Величина влажности при этом называется границей текучести (или влажностью на границе текучести) W_L.

При обратном процессе уменьшения влажности грунт переходит в состояние твердого тела и тоже теряет пластичность (становится хрупким). Влажность грунта, при которой он теряет пластичность, называется влажностью на границе раскатывания W_P.

Разность между этими двумя границами влажности называется числом пластичности грунта J_P:

J_P = W_L. - W_P.

Для непластичных (песчаных) грунтов с незначительной примесью глинистых частиц J_P < 1; такие грунты называют песками.

Для грунтов с преобладанием песчаных частиц и содержанием глинистых частиц от 3 до 10% 1 < J_P < 7; это – супеси.

При содержании глинистых частиц от 10 до 30% 7 < J_P < 17 (суглинки).

При содержании глинистых частиц свыше 30% J_P > 17 (глины).

В зависимости от влажности, глинистые грунты могут быть в трех состояниях: твердом, пластичном и текучем. Для целей строительства пластичное состояние разделяют еще на 4 градации: полутвердую, тугопластичную, мягкопластичную и текучепластичную.

Для их выделения введено понятие показателя консистенции J_L:

J_L = или .

Для глинистых грунтов различной консистенции величина показателя консистенции колеблется в следующих пределах:

• твердые J_L ≤ 1;

• полутвердые 0 < J_L ≤ 0,25;

• тугопластичные 0,25 < J_L ≤ 0,5;

• мягкопластичные 0,5 < J_L ≤ 0,75;

• текучепластичные 0,75 < J_L ≤ 1;

• текучие J_L > 1.

Плотность сложения обломочных (зернистых) грунтов определяется и подразделяется по величине коэффициента пористости е.

Грунты разделяются на три группы (см. рис. 5.1):

• рыхлые е >0,7;

• средней плотности 0,55< е <0,7;

• плотные е <0,55.

Рис. 5.1. Схема расположения шаровых частиц:

а– самое рыхлое; б – промежуточное; в – самое плотное.

В этом и следующих разделах рассматриваются показатели, которые определяются для скальных грунтов (горных пород). Временным сопротивлением одноосному сжатию R называется прочность образца скального грунта (цилиндрической или кубической формы) при раздавливании.

По величине временного сопротивления одноосному сжатию породы разделяются на следующие группы:

• очень прочные R >120 МПа;

• прочные 50 < R ≤ 120 МПа;

• средней прочности 15 < R ≤ 50 МПа;

• малопрочные 5 ≤ R ≤ 15 МПа;

• полускальные R < 5 МПа.

При водонасыщении (заполнении пор и трещин водой) различные породы в разной степени снижают свое сопротивление одноосному сжатию. Коэффициент размягчаемости К_Р равен отношению сопротивления сжатия в водонасыщенном и воздушно-сухом состоянии:

К_Р = .

По величине К_Р породы разделяются на:

• размягчаемые К_Р < 0,75;

• неразмягчаемые К_Р ≥ 0,75.

Под степенью выветрелости (коэффициентом выветрелости К_В) понимают отношение объемной массы образца выветрелого грунта к объемной массе невыветрелого образца того же грунта:

К_В = .

• для невыветрелых (монолитных) пород К_В =1;

• для слабовыветрелых (трещиноватых) пород 0,9 ≤ К_В < 1;

• для выветрелых (в виде скопления отдельных кусков, переходящих в трещиноватую скалу) пород 0,8 ≤ К_В < 0,9;

• для сильновыветрелых пород или рухляков (находящихся в виде отдельных кусков во всем массиве) К_В < 0,8.

По степени растворимости в воде, сцементированные осадочные породы подразделяются на следующие группы:

• нерастворимые породы (растворимость менее 0,01г/л);

• труднорастворимые (0,01 – 1г/л);

• среднерастворимые (1 –10г/л);

• легкорастворимые (более 10г/л).