Классификация грунтов и их физико-механические свойства

Под грунтами в строительстве подразумеваются горные породы, образующие поверхностные слои земли и составляющие так называемую кору выветривания, которые могут служить основанием или материалом для различных инженерных сооружений, в том числе автомобильных дорог и аэродромов.

Грунты, используемые для сооружения насыпей, разделяют на четыре основные группы:

скальные, добываемые путем разрушения естественных сплошных или трещиноватых скальных массивов;

крупно обломочные — несцементированные грунты, содержащие более 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм; песчаные — сыпучие в сухом состоянии грунты, не обладающие свойствами пластичности (число пластичности меньше единицы) и содержащие менее 50% по массе частиц крупнее 2 мм;

глинистые, обладающие связностью в сухом состоянии, с числом пластичности более единицы. При значительном увлажнении такие грунты размокают и теряют прочность.

При возведении земляного полотна и устройстве различных инженерных сооружений на автомобильных дорогах наиболее часто приходится иметь дело с песчаными и глинистыми грунтами. Для насыпей используют те грунты, состояние которых под действием природных факторов не изменяется или изменяется незначительно, что не влияет на прочность и устойчивость в земляном полотне. К ним относятся скальные неразмягчаемые породы, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых), супеси легкие и крупные. Эти грунты используют без ограничений.

Грунты глинистые, мелкие и пылеватые пески, размягчаемые скальные грунты пригодны для сооружения земляного полотна, но при этом имеются некоторые ограничения.

Не применяют для насыпей грунты глинистые избыточно засоленные; глинистые, влажность которых выше допустимой; торф, ил, мелкий песок и глинистые грунты с примесью ила и органических веществ; верхний почвенный слой, содержащий в большом количестве корни растений; содержащие гипс в количестве, превышающем норму.

Кроме грунтов природного происхождения, для насыпей используют отходы промышленности (золошлаковые материалы, отвалы горнодобывающей промышленности и др.).

Основным способом разработки грунтов машинами для земляных работ (кроме машин для гидромеханизации) является механический способ, при котором часть грунта или породы от массива отделяется ножевым или ковшовым рабочим органом путем резания, откола, отрыва, обрушения под действием статических, динамических или виброударных нагрузок.

К основным физико-механическим свойствам грунтов, характеризующим их способность сопротивляться внешним нагрузкам, относятся гранулометрический состав, плотность, влажность, пластичность, липкость, разрыхляемость, связность, сопротивление сдвигу

Плотность характеризуется массой единицы объема грунта, взятой в естественном залегании (в плотном теле). Для песчаных и глинистых грунтов она составляет 1,6-2,0, для скальных — 2,2-3,5 т/мЗ.

Влажность определяется содержанием воды в грунте, измеренным в процентах. Грунты, разрабатываемые строительными машинами, обычно имеют влажность 10-20%.

Пластичность — способность грунта изменять, не разрушаясь, свою форму, сохраняемую после снятия нагрузки. Пластичные грунты (глины, суглинок) хорошо уплотняются, хорошо заполняют ковшовые емкости, но налипают на рабочее оборудование.

Разрыхляемостью называют способность грунтов, пород, материалов при разработке увеличиваться в объеме.

Коэффициент разрыхления Кр представляет собой отношение грунта в разрыхленном состоянии к объему грунта в естественном состоянии. Для большинства грунтов К = 1,1 — 1,4, для мерзлых фунтов и скальных пород Кр = 1,5 - 1,7.

На сопротивление сдвигу грунта влияет связность (сцепление) и трение грунтов. Связность характеризует способность грунтов противостоять воздействию внешних сил. К связным грунтам относятся глины, к несвязным — сухие пески.

Комплексными показателями для оценки разрабатываемое грунтов рабочими органами строительных машин являются удельные сопротивления грунта резанию Крез и копанию Кк, т. е. сопротивления на рабочих органах, отнесенные к площади поперечного сечения вырезаемой стружки. При этом сопротивление копанию включает в себя все сопротивления при разрушении грунта и наполнении рабочего органа, а сопротивление резанию — только сопротивление от вырезания стружки.

Картина процесса копания и набора грунта рабочими органами всех землеройно-транспортных машин и многих землеройных машин в принципе аналогична (рис. 8.3). Режущие ножи в нижней части рабочих органов отделяют грунт от массива (происходит процесс резания). Вырезанный грунт затем захватывается и накапливается рабочими органами. При этом происходят такие явления, как движение грунтовой стружки и образование призмы волочения.

а б в

Рис. 8.3. Схемы копания и набора фунта рабочими органами землеройно-транспортных машин:

а — с отвалами бульдозера и автогрейдера; б — ковшом скрепера; в — ковшом скрепера с элеваторной загрузкой (цифры обозначают ориентировочную последовательность заполнения рабочих органов)

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность — это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Упругость — свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность — это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок, супесь 1,1-1,2

Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3

Полускальные породы 1,3-1,4

Скальные породы:

средней прочности 1,4-1,6

прочные 1,6-1,8

очень прочные 1,8-2,0

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Прото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости fкр, разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости fкр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие fкр=0,3,— к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с f_Kp=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие — к I группе.

Грунтовая стружка поднимается вверх по поверхности отвалов под призмой волочения — у отвальных рабочих органов или внутри накопляемых масс грунта — у ковшовых рабочих органов. Совокупность этих процессов, включая и резание, называют копанием.

Удельные сопротивления резанию и копанию зависят не только от физико-механических свойств грунтов, но и от типа и параметров рабочего оборудования, т. е. являются одновременно как прочностными характеристиками грунтов, так и показателями энергоемкости резания и копания. Удельные сопротивления используют при расчетах, испытаниях и исследованиях машин, но ввиду трудоемкости их определения в полевых условиях (сложные силоизмерительные подвески рабочих органов или их моделей, трудоемкие расчеты и замеры объемов грунтовых масс) классификация разрабатываемое грунтов по удельным сопротивлениям резанию и копанию затруднена.

В основу принятой классификации грунтов по группам трудности их разработки, предложенной профессором А. Н. Зелениным, положен более простой показатель — прочность грунтов по числу ударов специального плотномера — ударника ДорНИИ. Ударник ДорНИИ представляет собой простейший прибор по типу забиваемого стержня. Стержень погружается в грунт под действием ударов падающей гири. Масса гири 2,5 кг, высота ее падения 400 мм, площадь сечения стержня 1 см2, глубина погружения 100 мм.

Достоинство ударника ДорНИИ — простота оценки прочности грунта, недостаток классификации грунтов по показаниям ударника ДорНИИ — условность оценки разрабатываемое грунта по одним прочностным показателям независимо от типа рабочего оборудования. Некоторые исследователи на основе обработки и обобщения результатов экспериментов рекомендуют корреляционные зависимости между числом Ударов ударника ДорНИИ и удельным сопротивлением резанию и копанию.

В практике строительства используют еще одну классификацию грунтов — так называемую производственную классификацию по группам трудности разработки механическими способами. Несмотря на качественное описание характеристик грунта в этой классификации, ее применяют при нормировании выработки и расценке строительных работ.

ПРИРОДНЫЕ СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ

1. Классификация грунтов по пределу прочности на одноосное сжатие Rc в водонасыщенном состоянии:
Разновидность грунтов	Предел прочности на одноосное сжатие Rc, МПа
Очень прочный	>120
Прочный	120 - 50
Средней прочности	50-15
Малопрочный	15-5
Пониженной прочности	5-3
Низкой прочности	3-1
Очень низкой прочности	<1
2.Классификация грунтов по плотности скелета p d :

Разновидность грунтов		Плотность скелета р d, г/см^3
Очень плотный		>2,50
Плотный		2,50 - 2,10
Рыхлый		2,10 – 1,20
Очень рыхлый		<1,20
3. Классификация грунтов по коэффициенту выветрелости Kwr:
Разновидность грунтов		Коэффициент выветрелости, Kwr
Невыветрелый		1
Слабовыветрелый		1 – 0,90
Выветрелый		0,90 -1,00
Сильновыветрелый		0,80
4. Классификация грунтов по степени размягчаемости в воде:
Разновидность грунтов		Коэффициент размягчаемости К so р , д. е.
Неразмягчаемый		> = 0,75
Размягчаемый		<0,75
5. Классификация грунтов по степени растворимости в воде:
Разновидность грунтов		Количество воднорастворимых солей qsr, г/л
Нерастворимый		<0,01
Труднорастворимый		0,01 - 1
Среднерастворимый		1 - 10
Легкорастворимый		>10
6. Классификация rpyнтов по степени водопроницаемости:
Разновидность грунтов			Коэффициент фильтрации Кф, м/сут
Неводопроницаемый			< 0,005
Слабоводопроницаемый			0,005 - 0,30
Водопроницаемый			0,30 - 3
Сильноводопроницаемый			3-30
Очень			>30
сильноводопроницаемый
7. Классификация грунтов по степени засоленности Dsal, %:
Разновидность грунтов			Количество воднорастворимых солей D sal , %
Незаселенный			< = 2
Засоленный			>2
8. Классификация грунтов по структуре и текстуре
Подруппа грунтов			Структура Текстура
Магматические	Интрузивные	Мелко-, средне- и крупнокристаллическая			Массивная, порфировая, миндалекаменная
	Эффузивные	Стекловатая, неполнокристаллическая
Метаморфические		Такая же, как у магматических грунтов			Гнейсовая, сланцеватая, слоисто- сланцеватая, тонкослоистая, нолосчатоя, массивная и др.
Осадочные		Мелко-, средне- и крупнокристаллическая			Массивная, слоистая
9. Классификациягрунтов по температуре :
Разновидность грунтов		Температура грунта t, °С
Немерзлый (талый)		> = 0
Морозный		<0
пылеватый		>0,10		<75