9 Инженерно – геологическая характеристика дисперсных грунтов.

Дисперсные грунты. В этот класс входят только осадочные горные породы. Класс разделяется на две группы-связных и несвязных грунтов. Для этих грунтов характерны механические и водно-коллоидные структурные связи. Связные грунты делятся на три типа - минеральные (глинистые образования), органо-минеральные (илы, сапропели) и органические ( торфы ). Несвязанные грунты представлены песками и крупнообломочными породами (гравий, щебень) В основу разновидностей грунтов положены плотность, засоленность, гранулометрический состав и др. показатели.

Пылеватые и непылеватые, глинистые грунты и лессовые породы в большинстве случаев являются основаниями сооружений и являются дисперсными т.е. раздробленными, состоящими из мелких частиц. В дисперсных грунтах наблюдается тесное взаимодействие твердой, жидкой и газообразной фаз. В зависимости от условий существования грунта значение этих фаз меняется и вместе с тем меняются физико – механические свойства грунтов.

Для связных грунтов вследствие их анизотропности коэффициенты фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях могут существенно отличаться. Особенно в грунтах неоднородных по своему строению - лессовых суглинках, ленточных глинах, торфах. При исследовании таких грунтов необходимо определять их водопроницаемость как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях.

Глинистые грунты характеризуются вводно-коллоидными связями, которые обеспечивают первичное сцепление на начальных этапах превращения глинистого осадка в породу. На более поздних стадиях появляются цементные связи и соответствующее им сцепление упрочнения, которое постепенно переводит породу из ряда высокодисперсных систем в породы типа глинистых сланцев, аргиллитов.

Плотность глинистых грунтов изменяется от 2.53 – 2.85 г./см и зависит от минерального состава и органических примесей, а так же от влажности и степени уплотненности в природном залегании. Четвертичные глины морского, речного и ветрового происхождения имеют плотность 1.6 – 1.85 г/см; плотность скелета 1.35 – 1.55 г\см, а пористость 35 45 % . В порах глинистых грунтов кроме воздуха и воды может содержаться органический перегной гумус. В таких случаях эти грунты называются почвами и в них увеличивается влагоемкость, пластичность, сжатие под нагрузками.

Вода и ее количество предают грунтам ряд специфических (характерных) свойств: пластичность, липкость, набухание, усадка и размокание.

Угол внутреннего трения и сцепление С в значительной степени зависят от состояния влажности и пористости грунтов. Так, при мягкопластичном состоянии глины могут иметь угол не более 5-10, туггопластичные 15- 35.

Пылеватые глинистые грунты у которых , у которых пылеватых частиц больше, чем песчаных и которые обладают недоуплотненой структурой с очень водонеустойчивыми связями называют лессовыми. Особенностью лессовых грунтов является их просадочность.

Илы, сапропели заторфированные грунты относятся к органоминеральным грунтам. Все грунты высокопористы и водонасыщены. В их составе: 1) песчано-пылевато-глинистые частицы 2) органический минерал 3) вода - в большом колдичестве. Ил – водонасыщенный современный осадок водоемов, образовавшийсяпри наличии микробиологических процессов, имеющий влажность на границе текучести, и коэффицент пористости более 0.9. Для илов характерны структуры с коагуляционными связями, отличающиеся значительной пористостью (50-80 %), высокой влажностью, низкой прочностью, с хорошо выраженной тиксотропией и ползучестью минерального скелета. Водопроницаемость илов весьма мала т.к. в порах грунта присутствуют газы биохимической природы, так называемые защемленные газы. Механические свойства илов характеризуются их высокой сжимаемостью. Модуль общей деформации для них менее 4 МПА, коэффициент сжимаемости а=0.005-0.001 МПА. Сопротивление сдвигу у илов мало 0.0002-0.0007 МПА. Илы относятся к слабым грунтам строительство на которых возможно лишь с применением методов технической мелиорации.

Сапропель - пресноводный ил, образовавшийся при саморазложении органических остатков на дне застойных водоемов – озер. Сапропель при передаче на него давления способен вытекать из-под фундамента или отжиматься в стороны, если давление передается через слой торфа. При динамической нагрузке легко разжижается, при высыхании дает усадку и твердеет.

Торфы и заторфированные грунты - это грунты, образованные в болотах в результате накопления и разложения растительных осадков и содержащие минеральные примеси. Абсолютная влажность торфа может достигать 800-1000%, что указывает на его исключительно высокую влагоемкость. Плотность частиц от 1.4-1.8 г/см, плотность грунта то 0.7 до 1.4 г/см. В сухом состоянии торф может плавать на поверхности воды, т. к. плотность сухого грунта составляет 0.2-0.4 г/см. Торф обладает большой сжимаемостью, поэтому несущая способность у торфа низкая. Водопроницаемость торфа зависит от степени его разложения. Так, неразложившийся торф имеет коэффициент фильтрации, измеряющийся метрами в сутки, а хорошо разложившийся торф практически водонепроницаем и его Кф близкий к Кф глин. С инженерно-геологической точки зрения торфы относятся к слабым, к сильно и неравномерно деформируемым грунтам, обладающим очень изменчивыми свойствами, неблагоприятными для строительства.

Засоленными называются грунты, содержащие солевые включения в количестве. Влияющем на их физико-механические свойства. Они характеризуются степенью засоленности, под которой, в соответствии с ГОСТом 25100-95, понимается содержание легко и среднерастворимых солей в % от массы абсолютно сухого грунта. К легко растворимым солям относятся хлориды, бикарбонаты, карбонат натрия, сульфаты; к среднерастворимым гипс и ангидрит. Присутствие солей в грунтах приводит к изменению их прочности, сжимаемости, водопроницаемости, размокания, набухания, угла естественного откоса, липкости. При водонасыщении и увлажнении засоленные грунты теряют прочность, проявляют дополнительные суффозионные деформации, набухание, просадку и повышают агрессивность подземных вод. Растворенные компоненты выносятся водой в случае его фильтрационного движения, а в случае затрудненного оттока переходят а поровый раствор. Кроме того, в лессовых породах суффозионные процессы, в особенности на склонах, могут привести к образованию пустот и пещер. Это явление носит название лессовый карст, который может выражаться на поверхности земли в виде суффозионно-провальных воронок.

Основными типами засоленных грунтов являются солончаки - формируются в пониженных формах рельефа с близким к поверхности залеганием уровня грунтовых вод; Солонцы – формируются на более высоких отметках местности и располагаются как в поверхностных так и в более глубоких гори зонтах, такыры представляют собой значительные площади глинистых грунтов с малой влажностью, твердой консистенцией, легко размокают и обладают большой липкостью.

10 Мерзлые грунты. Их изучает мерзлотоведение или геокриология, горные породы находятся в условиях отрицательных температур и содержат лед, в северном полушарии мерзлотные грунты образуют зоны многолетней мерзлоты. В РФ они занимают около 75% от всей территории, максимальная глубина их достигает 800м. в строении мерзлых грунтов выделяется: деятельный слой приповерхностная часть з.к. она замерзает зимой и оттаивает летом, его мощность до 5м. Глубина промерзания зависит от широты рельефа, среднегодовой температуры и т.д. Мерзлые грунты делятся на две группы: г.п. 1) породы с жесткими структурными связями с понижением температуры они сохраняют основные св-ва. 2) без жестких структурных связей при понижении температуры у них изменяются инженерно-геологические св-ва и формируются новые криогенные структуры и текстуры. Инженерно-геологические св-ва грунтов зависят от величины отрицательных температур, криогенных текстурно-структурных особенностей, льдистости и других факторов. Льдистость – отношение массы льда к массе воды, содержащейся в породе.  W – общая влажность, W_нз – содержание незамерзшей воды. плотность мерзлых грунтов изменяется в значительных пределах и зависит от общей влажность льдистости, кол-ва и плотности исходного сухого грунта. Пористость зависит от состояния и структурной фазы льда. Сопротивление сдвигу является внешним, сдвиг в виде скалывания, резко выраженные криогенные св-ва. Широко проявляются в мерзлых грунтах геодинамические процессы, при отрицательных температурах выпучивание, при переводе к положительным температурам осадки и другие процессы они сопровождаются резкими деформациями. 6) Техногенные грунты. Это искусственные массивы г.п. возникшие в результате инженерно-строительных работ и хозяйственных работ, сохранившие первоначальное место залегания или переместившиеся на значительные расстояния, главная особенность – наличие предметов жизнедеятельности человека. Грунты делятся: 1) культурный слой – это поверхностные и приповерхностные слои земли содержащие следы и отходы жизнедеятельности человека от самых древних до современных производственных и бытовых отходов. По своему составу они простые неоднородные – это строительный мусор. Также следы их накопления мощность этого культурного слоя различна: Москва 22м. Киев 44м. современный культурный слой не может служить основой для инженерных сооружений, а древний культурный слой требует бережного обращения. На его использование в строительных целях необходимо разрешение археологов. 2) Горные массивы отвалы и терриконы, являются результатом разработки МПИ, имеют литологические очертания, крутизна склонов зависит от углов естественного откоса отсыпаемых грунтов. Высота достигает 50 – 80 до 100 метров, объем до нескольких млн м³. По составу отвалы могут быть однородные и неоднородные. Угольные отвалы и территории подвержены саморазогреву до 1000 ^оС. Самовозгорание сопровождается взрывами при попадании атмосферных вод. Они создают техногенные уродливые формы рельефа и подлежат рекультивации. 3) Насыпные грунты – это насыпи автомобильных и грунтовых дорог и составные части технически- сооружений – дамбы, плотины и т.п. для их создания используют материал из местных массивов или привозят. Наполнителями для насыпных грунтов так же могут служить промышленные отходы (шлак), + выработанные породы из МПИ, которые раньше шли в отвалы. 4) Намывные грунты – это искусственные локальные стройплощадки размеров несколько км². создаются в долинах рек, крупных городов, для возведения промышленных и гражданских объектов. В качестве материала в качестве материала используются аллювиальные песчаные отложения. 5) Особые грунты – это горизонты инженерно-геологические св-ва которых искусственно улучшены разными методами. Они могут быть в естественном залегании или перемещенными.

11 Инженерно-геологические св-ва грунтов.

Физические св-ва. 1) Плотность грунта это масса единицы объема грунта, естественной влажности с ненарушенной структурой. g – масса грунта г/см³, V – объем. 2) плотность скелета грунта. δ,γ_ск – это масса единицы V сухого грунта естественного сложения. g – масса сухого грунта. W – влажность грунта в долях единицы. 3) пористость грунта n. Это отношение V пор в грунте к общему V грунта. рассчитывают по формуле  4) теплофизические св-ва характеризуют их тепловой режим обусловленный геотермальным градиентом. Выражается ч/з удельную и объемную теплоемкость и др. показатели. Средняя удельная теплоемкость мин.=0,2 кал/г_*с. Теплофизические св-ва оказываются влияние на скорость выветривания и почвообразования и прочность многолетне-мерзлотных г.п. 5) электрические св-ва грунтов отражают их способность проводить и поглощать электрический ток. Учитывается при расчетах громоотводов, лэп и др. 6) магнитные св-ва. Обусловлены наличием земного магнетизма. Учитывается при решении некоторых практических задач.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Физические свойства грунтов согласно, ГОСТ -25100-95 оцениваются по следующим характеристикам :

Плотность грунта - это отношение массы грунта включая массу воды в ее порах, к занимаемому этим грунтом объему

p=m/V ,

p- плотность грунта ,г/см, кг/м, т/м

m- масса породы с естественной влажностью и сложением, г

V- объем, занимаемый породой, см

Плотность частиц грунта - отношение массы сухого грунта, исключая массу воды его порах, к объему твердой части этого грунта и изменяется для всех горных пород в пределах 2.61 до 2.75 г/см

p_s=(m-m_в ) /V_т ,

p_s- плотность частиц грунта, г/см, кг/м ,т/м

m_в- масса воды в порах грунта ,г

V_т-объем твердой части грунта, см

Удельный вес грунта - характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры и может быть рассчитан

γ=pg ,

γ- удельный вес грунта, н/м

p-плотность грунта

g-, ускорение свободного падения равное 9.81 м/с

Плотность скелета породы, или плотность сухого грунта p_d, представляет собой отношение массы минеральных частиц породы (твердой части грунта ) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

p_d= (m-m_в)/V , V-объем, занимаемый породой, см

p_d – плотность скелета породы (плотность сухого грунта), г/см, кг/см, т/м

m-m_в=m₁- масса сухого грунта ,г

Плотность скелета породы – величина более постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по данным определений плотности и влажности по формуле : р= p_d /1+ 0.01W ,

W- влажность породы ,%

р-плотность породы, г/см;

p_d- плотность скелета породы, г/см

Удельный вес частиц грунта характеризует отношение веса сухого грунта к объему его твердой части и рассчитывается следующим образом:

γ _s = γ g

γ -удельный вес сухого грунта ,Н/м

Пористость породы это отношение объема пор к объему всего грунта, включая поры

n=(V_n /V) 100

V_n - объем пор в породе ,см

V - объем породы, см

Пористость можно выразить через значение плотности грунта:

n=( (p_s – p_d) / p_s ) 100 n=(1- p_d / p_s ) 100

Приведенной пористостью или коэффициентом пористости называется отношение объема пустот (пор) к объему твердой части (скелета грунта) и выражается в долях единицы по формулам: e=n / 1 –n e=(p_s – p_d) / p_d

ВЛАЖНОСТЬ.

Под естественной (природной) влажностью грунта W, понимается количество воды, содержащееся в порах грунта в его природном состоянии.

Она может менятся в зависимости от климатических и гидрогеологических условий, колебаться на протяжении года или суток в известных пределах, но при этом всегда остается характерной для данного генетического типа грунта.

Весовой или абсолютной влажностью называют отношение массы воды к массе к массе абсолютно сухого грунта, выраженное %.

Полная влагоемкость – это такая влажность, при которой все поры заполнены водой

e-коэффициент пористости ; p-плотность частиц грунта

W= n /p_d W = ep_w / p_s

Влажность в зоне аэрации непостоянна. Влажность в зоне водонасыщения практически не меняется и количественно соответствует пористости грунта. Эта влажность и называется полной влагоемкостью, а грунт , имеющий такую влажность, водонасыщенным.

Под гигроскопической влажностью W_г понимают влажность воздушно-сухого грунта.

Степенью влажности или относительной влажностью называют степень заполнения пор грунта водой и характеризуется отношение объема воды к объему пор грунта

S_r=(W p_s (100-n )) / n Sr = W p_s /e p_w

S- степень влажности породы, %

W- естественная влажность породы , %

p_s - плотность частиц породы , г/см

n - пористость , %

p_w - плотность воды , г/см

е - коэффицент пористости

Максимальная молекулярная влагоемкость Wм.м.в. показывает количество воды, которое удерживается в породе силами молекулярного сцепления, после того как вся гравитационная вода стечет из породы. Ее определяют центрифугированием для глинистых грунтов, а для песчаных и супесчаных грунтов способом высоких колонн.

Разностью между полной и максимальной влагоемкостью определяют водоотдачу грунта

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Способность грунтов свободно отдавать воду под действием силы тяжести называется водоотдачей. Глинистые грунты имеют плохую водоотдачу, т. к. значительная часть влаги остается в них в виде связанной воды. Пески обладают хорошей водоотдачей, численно равной объему их пор, но истинные плывуны имеют водоотдачу практически равную нулю. Их можно заставить отдавать воду только с помощью электроосмотического осушения. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы и пески от 25- 43%

Водонасыщение - свойство дисперсных грунтов впитывать и удерживать в себе свободную воду. Скорость и количество удерживаемой воды зависит от величины удельной поверхности, гидрофильности, гран.состава, пористости (пески насыщаются значительно быстрее, чем глины.

W=масса поглощенной грунтом воды / масса абсолютно сухого грунта

D- дефицит водонасыщения это разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью.

Водопроницаемость - способность грунтов пропускать через себя гравитационную воду через поры ( рыхлые и глинистые грунты ) и трещины (скальных гр.) Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации – это скорость движения подземных вод при гидравлическом градиенте равном единице ( см/сек, м/ч, м/сут)

По величине К_ф породы делятся на:

Водопроницаемые - К_ф больше 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы, закарстованные известняки, доломиты)

Слабопроницаемые (полупроницаемые) - К_ф от 1- 0.001 м/сут (супеси, суглинки, лесс, торф)

Непроницаемые (водоупорные) - К_ф менее 0.001 м/сут (глины, тяжелые суглинки, не трещиноватые массивные кристаллические и сцементированные осадочные породы )

12

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ.

Свойства, проявляющиеся в грунтах под влиянием приложения к ним внешних усилий и приводящие либо к изменению объема грунта, либо к нарушению его прочности и плотности, носят название механических. Они подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.