4.8. Характеристика классов грунтов

Природные скальные грунты. Для объектов Беларуси не характерны.

Природные дисперсные грунты. В этот класс входят:

• несвязные крупнообломочные образования и пески;

• связные грунты (с водноколлоидными связями) в виде минеральных (глинистых), органо-минеральных и органических образований.

Гранулометрический состав крупнообломочных и песчаных грунтов определяют с помощью набора стандартных сит, имеющих различные отверстия.

Свойства несвязных грунтов. Крупнообломочные грунты имеют обломки более 2 мм (дресва, гравий, галечник). Они несцементированы и аналогичны во взаимодействии друг с другом песчаным грунтам, т. е. в них отсутствуют связи

Прочность и водостойкость крупнообломочных грунтов зависит от генезиса, состава и выветрелости обломков.

Крупнообломочные грунты являются хорошим основанием для зданий и сооружений, при плотном сложении под нагрузкой не уплотняются, но при большом содержании глинистого материала сжимаются сильнее. При динамических воздействиях и землетрясениях водонасыщенные крупнообломочные грунты могут разжижаться и терять устойчивость вместе с построенными объектами.

Аллювиальные крупнообломочные грунты равнинных рек представлены окатанными обломками прочных пород, достаточно плотные, сильно водопроницаемы и практически несжимаемы.

Морские крупнообломочные отложения в виде галечников хорошо отсортированы и практически не имеют заполнителя, что определяет их высокую водопроницаемость, малую сжимаемость и пониженное сопротивление сдвигу.

На значительных глубинах (до 600 – 800 м) и на большом удалении от берега они плохо отсортированы, содержат много мелкозернистого материала, существенно снижающего водопроницаемость.

Озерные крупнообломочные грунты по своим свойствам близки к морским галечникам, формирующимся в зоне прибоя.

Крупнообломочные ледниковые (флювиогляциальные) грунты из угловатых и окатанных обломков размером от 2 до 0,05 мм залегают в виде прослоев, линз или рассеяны в виде включений в моренных толщах и флювиогляциальных песках. Эти грунты характеризуются значительной водопроницаемостыо, слабой сжимаемостью и довольно большой прочностью.

Пески в строительстве являются надежным основанием, служат хорошим материалом для изготовления строительных изделий, цементных растворов и т. д. В рыхлых песках строительство усложняется.

Морские пески занимают большие площади с многометровой мощностью, хорошо отсортированы по крупности.

Речные пески (аллювиальные) бывают гравелистые, крупные, средние, мелкие, пылеватые. Они локальны по площади, маломощны, не отсортированы, нередко с примесью глинистых частиц и гумуса. Рыхлое сложение легко переходит в плотное при водонасыщении и динамических воздействиях.

Элювиальные пески неоднородны по грансоставу, имеют угловатые зерна, рыхлое сложение (сильную уплотняемость).

Аллювиальные пески очень широко развиты на равнинных территориях современных речных долин и вне их, различны по гранулометрическому составу и свойствам.

Русловые пески характеризуются слоистым сложением с разнообразием форм косой и диагональной слоистости. Они сложены окатанными и слабоокатанными частицами. Преобладает среднее и рыхлое сложение песков и различие водопроницаемости в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Пойменные и старичные пески представлены маломощными прослоями и линзами мелких и пылеватых разностей в толще супесей и суглинков (отложения ленточные, линзовидно-слоистые супеси и суглинки и др). Содержат примеси органики, имеют водопроницаемость, сжимаемость и прочность меньше русловых.

Дельтовые пески в основном средние и мелкие, отсортированы с окатанной формой зерен и обогащены пылеватым и глинистым материалом. Очень часто имеют рыхлое сложение, при динамическом воздействии склонны к разжижению.

Флювиогляциальные (водноледниковые) пески очень широко распространены в Беларуси. Они бывают крупными, средними, мелкими и пылеватыми с грубообломочным материалом и некоторым количеством глинистых частиц. Характерны косая слоистость, средняя плотность и даже рыхлое сложение. Их пористость такова: у гравелистых – 40 – 41%., мелких – 40 – 46 %, пылеватых – 42 – 51 %. Коэффициент фильтрации не превышает 10 м/сут, а с ростом дисперсности падает до 1,5 м/сут. Угол естественного откоса в воздушно-сухом состоянии – от 30 до 40^о, под водой – 24 – 33^о.

Ледниковые (моренные) пески залегают в виде прослоев и линз в толще моренных суглинков и глин. Грансостав разнообразен с преобладанием гравия и крупных обломков, иногда много валунов. Свойственна большая изменчивость состава и свойств в разрезе и по простиранию. Пески в толще моренных глинистых грунтов часто содержат напорные воды, при вскрытии котлованов и выемок способствуют сползанию и оплыванию откосов, а иногда прорыву напорных подземных вод с вымыванием песка, что значительно снижает устойчивость вышележащего грунтового массива.

Морские пески весьма однородны с хорошими окатанностью и водопроницаемостью (коэффициент фильтрации значительно больше 1 м/сут). Мелководные пески, особенно в зоне прибоя, имеют плотное сложение. Глубинные пески обычно рыхлые и склонны к большой осадке при динамических нагрузках.

Эоловые пески обычно отсортированные мелкие или пылеватые с хорошей окатанностью частиц наиболее распространены в полупустынях и пустынях. Толщи эоловых песков характеризуются неправильностью и разнообразием наклона слоев, в целом очень с рыхлым сложением, сильной водопроницаемостью.

Свойства связных грунтов. Супеси, суглинки и глины имеют значительную долю в Беларуси.

Глинистые грунты характеризуются большой группой физических свойств: пористостью, влажностью; поглотительной способностью; коррозионными и специфическими свойствами (пластичностью, консистенцией, липкостью, набуханием и усадкой). Они обычно залегают самостоятельными слоями, иногда в виде прослоев или линз в толщах других грунтов, что типично в основном озерным и речным отложениям. Мощность слоев очень разнообразна – от сантиметров до десятков и сотен метров.

Пористость n глинистых грунтов в зависимости от генезиса изменяется от 10% до 95 %. Поры в супесях и суглинках имеют открытый характер, а в глинах изолированы друг от друга, могут содержать «защемленные» воздух и воду. Это придает глинам характер «водоупоров». Иногда содержится органический перегной «гумус». Больше всего (до 5 – 15 % от массы грунта) его бывает в супесях и суглинках, поэтому их называют «почвами».

Гумус очень гидрофилен и существенно повышает активность глинистых грунтов во взаимоотношениях с водой, увеличивая влагоемкость, пластичность, сжимаемость и т. д.

Влажные глинистые грунты под нагрузками сильно сжимаются за счет уменьшения пористости и ведут себя как пластичное тело. Вода в глинистых грунтах всегда сильно влияет на их свойства, в частности, на поведение их под нагрузками.

Поглотительная способность глинистых грунтов связана с активной поверхностью глинистых частиц.

Коррозионные свойства глинистых грунтов выражаются в разрушении строительных материалов и подземных металлических трубопроводов за счет электролиза после воздействия блуждающих электрических токов на поровый водно-солевой раствор.

Специфические свойства глинистых грунтов. Вода придает глинистым грунтам ряд особых (специфических или «характерных») свойств: пластичность, липкость, набухание и усадка. Об этих свойствах было сказано выше.

Набухающие грунты обычно залегают слоями и чаще всего встречаются в сухих районах. Мощность слоев набухающих глин обозначается Н_sw. Схема процесса набухания грунтов показана на рис. 51. За счет давления набухания P_sw здание деформируется.

Рис. 51. Схема набухания грунта (а), давление набухания (P_sw)

на фундамент (б)и деформации здания от усадки грунта (в):

1 – набухающие грунты; 2 – зона усадки грунта; 3 – здания

Способность грунтов к набуханию определяют в лаборатории по относительному набуханию E_sw = (h_нс – h)/h, где h – начальная высота образов и h_нс – высота после набухания. При E_sw = 0,04 грунт набухающий; при 0,04 – 0,08 – слабонабухающий; 0,09 – 0,12 – средненабухающий и свыше 0,12 – сильно набухающий.

Одновременно определяется влажность набухания (w_sw) и давление набухания (P_sw) грунта при увеличении своего объема. Давление Р_sw может достигать 0,8 МПа и легко поднимать и деформировать здание и сооружение.

Набухающие грунты выявляют в ходе инженерно-геологических изысканий, а при проектировании объектов на них предусматривают мероприятия: 1) в надземной части зданий (увеличение жесткости и прочности зданий) и 2) в грунтовом основании.

При строительстве на набухающих грунтах используют:

• Водозащиту вокруг зданий и сооружений для предотвращения проникновения в основания атмосферных и технических вод.

• Устранение набухания грунта предпостроечным замачиванием с использованием дренирующих скважин. Однако при этом в грунтах понижаются прочностные и деформативные характеристики.

• Прорезку слоя набухающего грунта фундаментами монолитными жесткими или свайными с обсыпкой песком боковой части фундаментов для устранения прилипания к ним грунта.

• Полную или частичную замену слоя набухающего грунта небольшой мощности ненабухающим (песком, суглинком, глиной) под всем зданием или фундаментами.

• Увеличение давления от зданий на основание больше Р_sw.

Наиболее эффективно сочетание нескольких таких мер при увеличении жесткости и прочности фундаментов и самих зданий.

Усадка грунтов при их высыхании происходит за счет испарения воды или её отсасывания из грунта корнями деревьев слишком близко к зданию при их проникновении под фундамент. При этом грунт растрескивается, теряет монолитность, прочность, поверхность земли опускается, а здания деформируются (см. рис. 51,в).

В лаборатории устанавливают величину относительной усадки Е_sh = (h_n – h_d)/h_n (где h_n – высота образца грунта с w_max, а h_d, – высота после высыхания), определяют влажность грунта на пределе усадки (w_sh), мощность подверженных усадке грунтов H_sh.

В супесях усадка не проявляется. Проявление усадки предупреждают теми же мероприятиями, что и набухание грунтов.

Инженерно-геологическая характеристика некоторых глинистых грунтов. Элювиальные глины, суглинки и супеси имеют различные свойства исходя из количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно ярко это проявляется в таком их свойстве как пластичность.

Делювиальные суглинки, глины и в меньших объемах супеси покрывают склоны и откосы, причем содержат щебень и более крупные обломки, различные растительные остатки.

Физико-механические свойства глинистого делювия сильно изменяются в зависимости от его состава. Такие грунты быстро размокают в воде, склонны к движению вниз по откосам за счет слоистой текстуры. Искусственная подрезка делювиальной толщи в нижней части склона вызывает подвижки оползневого характера внутри самой толщи или на контакте с подстилающей коренной породой. Примером служат крупные оползни на Южном берегу Крыма, в частности, на территории санатория «Белоруссия» в Гурзуфе .

Пролювиальные пылеватые суглинки с характерной плохой сортировкой материала и наличием включений обломков пород различной величины имеют неоднородность по всей толще деформационных, прочностных и водно-фильтрационных характеристик.

Аллювиальные глинистые грунты в долинах равнинных рек сильно разнообразны по составу и свойствам.

Русловые супеси и суглинки содержат органические остатки.

Пойменные отложения представлены горизонтально-, волнисто-, линзовидно-слоистыми суглинками и глинами, редко супесями, подвержены усадке. Молодые отложения очень рыхлые, влажные и слабосвязные. Часто содержат погребенные почвы или обогащены органическим веществом, что ухудшает их свойства.

Наихудшими оказываются старичные глинистые грунты со значительным количеством органики. Они находятся в мягкопластичном состоянии, текучей и скрытотекучей консистенции.

Дельтовые отложения имеют высокие пористость и сжимаемость, низкую прочность и длительное время консолидации. Лёссовидные супеси и суглинки часто обладают просадочностью.

Глинистые грунты водно-ледниковые слагают мощные толщи и представлены супесями, суглинками и глинами с различным количеством дресвы, гравия, гальки и валунов.

Эти толщи содержат включения отторженцев – крупных глыб известняков и песчаников и из пластичных мягких глин, которые могут обусловливать большие и неравномерные осадки зданий. Наличие линз водонасыщенных песков и неоднородность строения толщ уменьшает их устойчивость в стенках откосов и котлованов.

Отличительной чертой глинистых моренных образований является наличие малой пористости – обычно 25 – 35 % (но чаще 30 % или намного ниже) при удельном весе от 18,0 – 19,0 до 22,0 – 23,0 кН/м³. Их малая сжимаемость обусловлена очень большим давлением ледника и сильной разнородностью состава. Компрессионные модули сжимаемости в интервале нагрузок 0,1 – 0,3 МПа находятся в пределах от 6 до 10 – 15 и даже 20 МПа. Для нагрузок 0,3 – 0,4 МПа их значения больше 10 МПа. Коэффициент пористости для моренных суглинков лежит в пределах 0,3 – 0,45, а моренных супесей – 0,4 – 0,5. Сопротивление сдвигу достаточно высокое: суглинки имеют С = 0,08 – 0,19 МПа, φ = 18 – 42^о, супеси соответственно С = 0,08 – 0,001 МПа и φ = 12 – 35°. Моренные глинистые грунты в большинстве случаев считаются надежными основаниями для самых ответственных и тяжелых сооружений.

Среди водноледниковых (флювиогляциальных) глинистых отложений типичными являются ленточные глины с четко выраженной слоистостью и анизотропией свойств. Они имеют высокие пористость (до 60 – 65 %) и естественную влажность. Вдоль напластования К_ф = 1 х 10^-1 – 1 х 10^-3 м/сут, а в глинистых прослоях 1 х 10^-5 м/сут. Осушение водонасыщенной толщи ленточных глин не всегда осуществимо. В естественном состоянии они могут выдерживать нагрузки до 0,3 – 0,4 МПа даже при влажности более предела текучести. Для водонасыщенных ленточных глин в интервале давлений 0,1 – 0,2 МПа значение φ вдоль слоистости равняется для глинистых слоев 11 – 13°, для пылеватых – 15 – 19^о, для песчаных – около 24^о. При сдвиге перпендикулярно слоистости в среднем φ = 16°. Сцепление в глинистых слоях составляет 0,02 – 0,03 МПа, в пылеватых – 0,007 – 0,017 МПа. При нарушении естественной структуры сцепление не фиксируется.

Озерные глины и суглинки имеют много органики плохо разложившейся, обладают малой прочностью, значительной сжимаемостью и слабой водопроницаемость..

Эоловые глинистые грунты для Беларуси не характерны.

Морские глинистые грунты распространены среди отложений глубоких частей моря. По своему составу они весьма однородны. Для Беларуси эти грунты также не характерны.

К органоминеральным грунтам относят илы, сапропели и заторфованные, которые возникли в водной среде речных долин, на низких берегах морей, озер, водохранилищ, в пониженных частях рельефа с высокими уровнями грунтовых вод, где развиты болота.

Ил — водонасыщенный современный (или древний) осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато-глинистых масс с органическим перегноем (гумусом). Его следует считать начальной стадией формирования глинистого грунта при мощности от сантиметров до нескольких метров. Модуль деформации колеблется от 0,1 до 2 МПа. Коэффициент пористости для супесчаных илов составляет 0,8 – 1,2; суглинистых 0,9 – 1,6 и глинистых 1,2 – 2. Илы не держат нагрузки и выдавливаются, при динамическом воздействии разжижаются.

Сапропели — это рыхлые водонасыщенные песчано-пылевато-глинистые отложения с органикой при мощности от 1 до 20 м. Более или менее уплотненный сапропель называют сапроколом.

Заторфованные грунты — это песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты с большим содержанием органических веществ (до 50 %) в виде остатков корней растений и примесью гумуса. При оценке свойств этих грунтов большое значение имеет степень разложения растительных остатков R_p.

Почвы залегают на дневной поверхности земли и являются элювиальным образованием. Различают почвы песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Все они содержат от 3 до 12 % органики в виде перегноя (гумуса). Мощность почв колеблется от 0,3 – 0,5 до 1,5, редко до 3 м. Почвы необходимы сельскому хозяйству, поэтому перед строительством их слои необходимо срезать, складировать и использовать по своему назначению где они отсутствуют.

Органические грунты состоят в основном из органического материала. Типичным их представителем является торф, сложенный из неполностью разложившихся болотных растений с примесью песка, пылеватых и глинистых частиц. Между собой эти грунты различаются по степени разложения и геологическому строению. Все они содержат агрессивную к строительным материалам воду. Их свойства изменчивы во времени в связи с непрерывным гниением растительных остатков. Модуль деформации Е обычно меньше 5 МПа. Строительство зданий и сооружений на таких грунтах представляет собой сложную задачу. В каждом случае используются разные мероприятия по предотвращению возможных деформаций оснований и повышению их несущей способности.

Илы и сапропели. При строительстве следует помнить, что слой ила на дне водоемов всегда обладает худшими свойствами, чем слой погребенного ила. При использовании илов в качестве оснований необходимо:

• заменять ил на другой грунт;

• прорезать слой ила сваями и опираться на прочные грунты;

• на ил набрасывать камень, или намывать слой песка, либо устраивать дренажные скважины для сбора воды, что одновременно сокращает сроки уплотнения грунтов.

Торфы и заторфованные грунты.

Торф – относительно молодой фитогенный грунт, образующийся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода. Обладает анизотропией свойств за счет слоистости, неоднородностью строения и состава при сильной сжимаемости. Это приводит при возведении на торфах сооружений к значительным неравномерным осадкам, которые протекают длительно по времени.

Строительство на торфах и заторфованных грунтах в зависимости от их свойств и мощности слоев осуществляется: 1) без специальных мер с применением только конструктивных решений в зданиях и сооружениях; 2) с использованием специальных строительных работ и глубоких фундаментов.

К засоленным относятся пески, супеси, суглинки, глины и даже крупнообломочные грунты с содержанием водорастворимых солей в количестве свыше: пески – 0,5 %; пылевато-глинистые грунты – 5 %; крупнообломочные грунты – 2 %.

При возведении объектов на таких грунтах используются различные приемы:

• прорезку фундаментами зданий слоя засоленного грунта;

• водозащиту оснований от проникновения в них атмосферных и технических вод;

• прекращение фильтрации подземной воды устройством дренажей и непроницаемых экранов и завес;

• отсыпку на засоленный грунт грунтовых подушек из песка или суглинков без соли;

• предпостроечное рассоление и уплотнение грунтового основания.

Свойства мерзлых грунтов. Мерзлые грунты именуют «криогенными» (криос – холод, лед). Для грунтов этого класса характерны структуры с криогенными связями, т. е. скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов бывает временным и постоянным (вечным). Первое из них свойственно Беларуси.

Временное мерзлое состояние.

В строительстве при сезонном промерзании грунтов всегда учитывается глубина промерзания d_f, которая у разных грунтов и климаческих зон колеблется от нескольких сантиметров до 2 – 3 м. Она определяется: по карте глубин промерзания для каждой местности; по расчетным формулам; по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных поднятий дорожных одежд (на 0,2 – 0,5) в силу промерзания деятельного слоя с последующим оттаиванием грунта весной. Морозное пучение предупреждают посредством мер, отраженных в проектной документации. В условиях сезонного промерзания пучинистых грунтов фундаменты закладывают ниже промерзающей толщи.

Свойства техногенных грунтов. При проведении строительных и горных работ и хозяйственной деятельности человека возникает большое количество производственных отходов (отвалы шахт, заводов, городские свалки и т. д.) или специально созданных человеком в строительных и производственных целях (намывные грунты, грунты обратной засыпки, насыпи дорог и т.д.). Эти образования получили название техногенных грунтов. Их используют в качестве оснований и материала для инженерных сооружений (земляных плотин, насыпей автомобильных и железных дорог и пр.).

К антропогенным образованиям относят твердые производственные отходы с коренным изменением состава, структуры и текстуры природного минерального и органического сырья.

Наибольше искусственных грунтов приурочено к промышленным и городским территориям. Их много возникает при военных действиях и чрезвычайных ситуациях. Особо неблагоприятны бытовые и производственные отходы, занимая очень большие, непрерывно расширяющиеся площади и нанося серьезный вред жизненной среде человека.

Классификация техногенных грунтов. Инженерно-геологичес-кие свойства таких грунтов определяются составом материнской породы или отходов производственной и хозяйственной деятельности, характером воздействия на них человека. В соответствии с классификацией грунтов согласно СТБ 943-93 и ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» техногенные грунты выделены в отдельный класс.

Природные перемещенные образования - природные связные и несвязные грунты, изъятые из мест их естественного залегания и частично переработанные. Перемешенные образования по способам укладки делят на насыпные и намывные.

Насыпные грунты подразделяют на планомерно и непланомерно отсыпанные, на строительные (насыпи автомобильных и железных дорог, плотин и дамб, насыпи под основания зданий и сооружений, обратные засыпки при строительстве подземных линейных сооружений) и промышленные (вскрышные породы, горные выработки). Различают однородные и неоднородные насыпи.

Прочностные характеристики насыпных грунтов необходимо определять с учетом условий и длительности их формирования.

Намывные грунты. Создаются средствами гидромеханизации с помощью трубопроводов. При организованных намывах возникают грунты с заранее заданными свойствами, например, высокоплотные толщи песка в качестве оснований зданий и сооружений. При неорганизованном намыве перемещают грунт для освобождения рабочих площадей, месторождений полезных ископаемых или строительных материалов.

Специалисты выделяют три стадии формирования свойств намывных грунтов: уплотнение, упрочнение и стабилизированное состояние намывных грунтов.

Антропогенные образования (бытовые отходы на городских и поселковых свалках и промышленные отходы, включая строительные отходы, шлаки, шламы, золы, золошлаки и др) являются источниками экологического загрязнения природной среды и особенно верхней части литосферы и гидросферы,

Улучшенные грунты. Многие грунты в природном состоянии по своим свойствам не отвечают требованиям строительства (недостаточно прочные, не водостойкие, переувлажнены, рыхлые, с большим содержанием органики и т. д.) поэтому требуется преобразование и придание им необходимых свойств. Если прочностные и деформативные свойства искусственно изменены в лучшую сторону с помощью технической мелиорации, то такие грунты называют улучшенными.

Природные грунты с ухудшением свойств в процессе строительных работ (искусственно разрыхленные, увлажненные и т.д.), называют ухудшенными.