Інженерно-геологічні властивості грунтів
Для оцінки поведінки грунтів при взаємодії зі спорудами та визначення стійкості останніх необхідно мати кількісні характеристики, або так звані показники властивостей ґрунтів. Вони визначаються різними методами, які діляться на польові та лабораторні. Перші коштують дорожче, але дають більш надійні результати.
Властивості грунтів в лабораторних умовах визначають по їх зразками, відібраними в окремих пунктах досліджуваного району. Число лабораторних визначень зазвичай значно перевищує число польових дослідів.
При проведенні досліджень, як правило, поєднується застосування польових і лабораторних методів. Види показників властивостей і ступінь детальності їх визначення залежать від типів грунтів, цілі досліджень, етапів і стадій проектування, класу капітальності, споруд або систем.
При будівництві і експлуатації споруд та систем найбільш важливі фізичні, водні та механічні властивості ґрунтів.
1.4.1. Фізичні властивості ґрунтів
Фізичні властивості ґрунтів характеризують фізичний стан грунтів; до них відносять щільність, шпаруватість і пористість. Незалежно від характеру зв'язків між частинками все гірські породи не є абсолютно щільних тіл, і мають вільні проміжки і порожнечі, які можуть бути заповнені газами або рідинами і служити каналами для їх пересування.
Освіта в гірських породах пустот і проміжків відбувається одночасно з утворенням самих порід. Так, вже в процесі затвердіння або застигання лави або магми в магматичних породах утворюються тріщини отдельностей. В процесі седиментації осадових порід в них з'являються порожнечі від бульбашок газу.
За розмірами порожнечі ділять на три групи:
· Великі, або некапіллярние, з діаметром пір більше 1,0 мм або шириною тріщин більше 0,25 мм. де вода може пересуватися вільно під дією сили тяжіння, не відчуваючи помітного протидії з боку сил поверхневого натягу;
· Капілярні з діаметром пір від 1,0 до 0,0002 мм або шириною тріщин від 0,25 до 0,0001 мм. де рух води відбувається під дією сил капілярного натягу і гідростатичного напору;
· Субкапіллярние, з діаметром пір менш 0,0002 мм або шириною тріщин менше 0,0001 мм. де до дії сил капілярного натягу додається дія сил електромолекулярного тяжіння води до частинок породи.
Уявімо собі обсяг породи V. в якому деяка частина буде зайнята порожнечами Vп. а інша частина - мінеральними частинками (мінеральним скелетом) породи Vск.
Залежність між величинами виразиться рівністю:
Відношення обсягу порожнеч Vп до загального обсягу породи V. виражене у відсотках, дає величину:
У тих випадках, коли величина n характеризує наявність великих некапілярних пустот, її називають скважностью. Зазвичай поняття скважности відноситься до скельних або великоуламковим породам.
Якщо величина n характеризує наявність капілярних і субкапіллярних пустот, її називають пористістю. Поняття пористості зазвичай відноситься до нескельних породах.
Для нескельних порід, крім пористості, обчислюють ще величину наведеної пористості або, як її частіше називають, - величину коефіцієнта пористості. яка представляє собою відношення обсягу порожнеч Vп до обсягу мінерального скелета Vск:
Величини пористості і коефіцієнта пористості пов'язані між собою простою залежністю:
Щільність грунтів характеризується трьома показниками: щільністю мінеральної частини у м. Щільністю породи у і щільністю скелета.
де mск- маса твердої частини грунту; mв - маса води; Vск обсяг твердої частини грунту скелета; Vск - обсяг пір в грунті; - вологість грунту [8].
За щільністю мінеральної частини і щільності скелета можна обчислити показники шпаруватості - пористість п і коефіцієнт пористості грунту.
В грунтах з жорсткими структурними зв'язками - скельних і напівскельних - шпаруватість представлена головним чином трещиноватостью. Тріщинуватість - один з головних факторів, що впливають на міцність цих порід. За походженням тріщини в гірських породах діляться на літогенетіческіе, тектонічні і екзогенні.
Перші утворюються в процесі формування гірських порід (тріщини в магматичних породах і тріщини нашарування в осадових). Другі розвиваються вже в сформованих породах під впливом тектонічних стискають і розтягують сил, що перевищують міцність порід. Екзогенні тріщини можуть бути природними і штучними.
Природні тріщини утворюються в породах при вивітрюванні, просідання, зсуву і розвантаження в прісклонових частини. Штучні тріщини - це тріщини розвантаження, які виникають поблизу кар'єрів і котлованів і при вибухах.
1.4.2. водні свойствагрунтов
Водні властивості ґрунтів проявляються при їх взаємодії з водою. Залежно від типу грунтів можуть змінюватися їх стан, міцність і стійкість, проявлятися властивості поглинати, утримувати, пропускати воду або частково розчинятися в ній. Щоб ці властивості порід могли отримати не тільки якісну, але і кількісну оцінку, встановлено поняття вологості породи.
Вологістю породи W називається виражене у відсотках відношення ваги води, що міститься в порах породи, до ваги мінерального скелета породи.
Вологість грунту характеризується трьома показниками: ваговій влажностьювлажностью і коефіцієнтом водонасичення:
Ваговій вологістю називають відношення маси води до маси повітряно-сухого ґрунту. Об'ємна вологість являє собою відношення об'єму води до об'єму ґрунту. Ці види вологості виражаються в процентах.
Ступінь зволоження грунту характеризується коефіцієнтом водонасичення. тобто ставленням обсягу води до сумарного обсягу пір. Природна вологість грунтів характеризує стан грунту. Особливо велике значення вона має для глинистих ґрунтів, властивості яких різко змінюються в залежності від вологості.
Існуючі методи визначення вологості можна розділити на дві групи. До першої відносяться методи, засновані на видаленні вологи з ґрунту перекладом її в пароподібний стан (термічні методи) або вижиманням (механічний метод). Друга група (електричні, радіоактивні, водні, тензометричні, об'ємні, конусні і оптичні методи) заснована на непрямому визначенні кількості води в грунті без її видалення.
Найбільшого поширення набув термостатний (термічний) метод, при якому зразки ґрунтів, поміщені в бюкси, висушуються до постійної маси при 105 ° С.
В по останню роки все ширше застосовуються радіоактивні методи (гамма-метод і метод повільних нейтронів), що дозволяють швидко визначати вологість грунтів в польових умовах без відбору проб.
Вологоємність. Влагоемкостью називають здатність грунту вміщати і утримувати певну кількість води. Розрізняють породи вологоємні (глини, суглинки), що володіють середньою влагоемкостью (супіски, піски, тонко і дрібнозернисті, пилуваті), невлагоемкой (піски середньо-, велико- і грубозернисті, гравій, галечники, тріщинуваті і закарстованниє породи).
Для влагоемких порід виділяють повну, капілярну, молекулярну, гигроскопическую влагоемкости. Полнаявлагоемкость відповідає об'ємної вологості грунту при повному насиченні водою, а капілярна - при насиченні капілярних і більш дрібних пір. Максимальна молекулярнаявлагоемкость - це загальна кількість всієї фізично зв'язаної води, а гігроскопічна - кількість міцно зв'язаної води.
Кількісно всі види вологоємності виражаються також об'ємної вологістю. Вологоємність визначає так звану водоутримуючу здатність, яка чисельно дорівнює кількості води, яке залишається в спочатку водонасиченому породі після вільного витікання води із зразка. У грунтознавстві ця величина називається польовий, або найменшою, влагоемкостью.
Водовіддача і недолік насичення. Здатність породи віддавати вільну воду називається водоотдачей. Чисельно вона дорівнює різниці повної і найменшої вологоємкості (табл. 1.2).
Таблиця 1.2. Вологоємність і Водовіддача грунтів
Коефіцієнтом водовіддачі називається відношення обсягу води, вільно що витекла з попередньо насиченою породи, до обсягу цієї породи.
Недолік насичення чисельно дорівнює різниці між повною вологоємністю і природною вологістю. На визначенні цього показника для грунтів і грунтів зони аерації на зрошувальних системах засноване планування термінів поливу і поливних норм.
Пластичність. Пластичністю називається властивість грунтів деформуватися (змінювати форму) під дією зовнішнього тиску і зберігати придбану форму після його припинення; при цьому суцільність грунту не порушується.
Пластичністю володіють глинисті грунти. Стан, або консистенція, таких грунтів визначається їх вологістю. При невеликому (до певної межі) зволоженні грунт зберігає властивості твердого тіла. Потім при певній (різної для кожного грунту) вологості відбувається перехід його в пластичне стан, а при подальшому зволоженні - в текучий.
Ці стану грунту (тверде, пластичне і плинне) є основними, а вологості, при яких відбувається перехід від одного до іншого, називаються характерними вологість, або межами пластичності.
Вологість WPt. при якій грунт переходить з твердого стану в пластичне (або навпаки), називають нижньою межею пластичності, а вологість WL при переході з пластичного стану в текучий (або навпаки) - верхньою межею пластичності, або межею плинності.
Різниця між верхнім і нижнім межами називається числом пластичності 1Р. Значення чисел пластичності залежить від змісту в ґрунті глинистих і колоїдних частинок. Для кожного типу грунту характерні свої числа пластичності (табл. 1.3).
Таблиця 1.3. Класифікація грунтів по числу пластичності
Визначення типу грунтів по числу пластичності і їхньому природному консистенції має велике практичне значення, так як несуча здатність і допустиме навантаження при використанні їх в будівництві в значній мірі залежать від їх консистенції [3].
Набухання. Властивість грунту збільшується в обсязі при зволоженні називається набуханням. Воно залежить від мінерального і гранулометричного складу, структури і текстури грунту, складу обмінних катіонів, іонного складу взаємодіє з грунтом води.
Набухання проявляється в тому випадку, коли тиск, що розвивається в грунті при набуханні, перевищує зовнішнє навантаження (від споруди або верхніх грунтів) на грунт.
Набухання відбувається в м'яких зв'язкових грунтах і пояснюється утворенням навколо глинистих і колоїдних частинок шарів зв'язаної води. Частинки при цьому розсуваються, зв'язність ґрунту знижується і відбувається загальне збільшення його обсягу.
Як правило, чим більше в грунті глинистих частинок (більше число пластичності), тим вище його здатність набухати. Разом з тим необхідно враховувати і мінеральний склад ґрунту. Наприклад, монтморилонітові глини володіють більшим ступенем набухання, ніж глини, що складаються з мінералів групи каолініту.
Глини, в яких поглинає комплекс обмінних катіонів представлений кальцієм і магнієм, набухають менше, ніж глини з натрієм в поглинає комплексі (табл. 1.4).
Склад води також впливає на набухання грунту. Води з переважанням кальцію і магнію в натриевом складі обмінних катіонів викликають меншу набухання.
Таблиця 1.4. Консистенції пластичних грунтів
Грунт пластичний, але не липкий
Грунт пластичний і липкий
Грунт в'язкий, розтікається товстим шаром
Грунт розтікається тонким шаром
Верхня межа усадки
Нижня межа пластичності WP
Верхня межа пластичності WL
Кількісно величина набухання визначається показниками об'ємного V або лінійного набухання, величиною тиску, яке розвивається в грунті при набуханні, і вологістю, при якій припиняється процес набухання:
де V Н - обсяг і висота зразка після набрякання; V 0 і - обсяг і довжина зразка в сухому стані.
Залежно від величини V виділяють наступні види грунту: сильно набухають більше 0,12; середньо набухають 0,12-0,08; слабо набухають 0,08-0,04.
Усадка. Процес зменшення обсягу грунту при висиханні називається усадкою. Це процес, зворотний набухання, спостерігається в ґрунтах, що набухають (різні глини). При цьому відбувається утворення тріщин, через які грунт іноді руйнується на окремі плитки, лусочки і навіть перетворюється в пил. Кількісно вона характеризується величинами об'ємної V У лінійної h У усадки і вологістю ґрунту при межі усадки W У.
Липкість. Здатність грунтів при певному змісті води прилипати до різних предметів називається липкостью. Це властивість має велике практичне значення. Воно з'являється у пластичних грунтів при вологості дещо більшою, ніж нижня межа пластичності. В цьому випадку Рихлосвязанная вода в грунтах вступає у взаємодію з іншими предметами.
При вологості, що дорівнює нижній межі пластичності, зв'язана вода з більшою силою утримується навколо частинок грунту і не взаємодіє з дотичними з грунтом предметами.
У міру підвищення вологості грунту товщина плівок води збільшується, сила прилипання до предметів зменшується і зникає при переході грунту в текучий стан. Кількісно липкість оцінюється величиною зусилля, яке треба докласти, щоб відірвати предмет від грунту. Цей показник використовується при визначенні умов розробки м'яких зв'язкових грунтів землерийними і дорожніми машинами.
Водопрочность. здатність ґрунтів зберігати механічну міцність і стійкість при взаємодії з водою називається водопрочной. Вона характеризується размокаемостью і размиваємость.
Під размокаемостью грунтів розуміється процес взаємодії грунту з водою при зануренні його в воду. При цьому одні ґрунти руйнуються (розвалюються) повністю, інші - частково, а треті зберігають свою текстуру. Размокаемость грунтів залежить від їх складу, характеру структурних зв'язків і вологості грунту, при якій він занурюється в воду.
Кількісної оцінки розмокання поки не існує. Зазвичай його оцінюють за часом розмокання зразка, характеру його розпаду і вологості розмокла грунту (в лабораторних приладах).
Размиваємость характеризує здатність ґрунтів віддавати частки або агрегати частинок рухається воді. Вона визначається в гідравлічних лотках.
Розчинність. Деякі ґрунти частково розчиняються підземними водами. В результаті цього порожнечі в грунтах збільшуються, водопроникність підвищується, а фізико-механічні властивості погіршуються.
Размягчаемость. Властивість грунтів знижувати свою міцність при зволоженні без видимих ознак руйнування називається размягчаемостью і чисельно характеризується коефіцієнтом размягчаемості КР.
де р1 і p 2 - тимчасовий опір грунту стисненню до і після насичення водою.
До розм'якшується відносяться грунти, у яких коефіцієнт розм'якшення КР <0,75.
Стійкість. Під стійкістю розуміють ступінь стійкості ґрунтів проти руйнівного впливу процесів вивітрювання і особливо води.
Під дією процесів вивітрювання і води з'являються в грунтах тріщини і порожнечі, змінюється мінеральний склад, в результаті чого знижується їх міцність. При цьому змінюється фізичний стан грунтів, і порушуються існуючі структурні зв'язки.
Наприклад, граніти і гнейси - щільні міцні грунти з кристалізаційними зв'язками в результаті фізичного вивітрювання перетворюються в майже пухкі грунти (так звані Рухляк), що складаються з кутастих уламків різного розміру. Мінеральний склад уламків залежить від переважного виду вивітрювання (фізичного або хімічного).
При хімічному вивітрюванні гранітів в кінцевому підсумку утворюються глинисті грунти з водно-колоїдними зв'язками. Для кількісної характеристики стійкості ґрунтів проти вивітрювання використовується коефіцієнт вивітрюваність [7]:
де - тимчасові опору грунту стисненню в НЕ вивітрений (початковому) стані і після річного циклу впливу агентів вивітрювання.