Геологические основы

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

непосредственно в полевых условиях методом микросейсмокаротажа или наблюдениями преломленных волн, зная которые можно оценить и модули упругости грунтов по формулам:

2				−	4	γ	2	≈	2	;
K = ρ CP			1		3				0,85ρ CP
G = ρCS2 ;
γ =	CS	=			1			.
				2 + λ			/ μ
	CP

4.2. Геологические типы грунтов Скальные грунты.

Прочность скальных пород колеблется от десятков и сотен Па до нескольких МПа. Пористость их невелика 1-5%, а в массиве за счет трещин повышается до 10-20%. Большинство скальных пород в естественном состоянии обладают большой потенциальной энергией сжатия, которая освобождается при образовании свободных поверхностей. По происхождению делятся на магматические, метаморфические и осадочные. Скальные грунты магматического типа обладают наивысшей прочностью, водонепроницаемы и малодеформируемы. Они являются одними из самых плотных и трудно поддающихся разработке грунтов. Метаморфические грунты по своим свойствам близки к грунтам магматического происхождения. Они практически водонепроницаемы и обладают достаточно большой анизотропностью, что связано со слоистым строением. Прочностные и деформационные показатели их значительно выше в направлении поперёк слоистости, чем вдоль. Эти породы не морозостойки, как например сланцы, и после водонасыщения теряют прочность. Скальные грунты осадочного происхождения представлены группой пород с прочными связями. Прочность их колеблется от десятых долей до десятков МПа. Вместе с этим, главное свойство этих грунтов – растворимость и размягчаемость в воде в результате чего они теряют свою прочность.

Нескальные грунты.

Главное отличие этого типа грунтов от предыдущих, определяющее их поведение под нагрузкой это их дисперсность, а, следовательно, наличие пор и

107

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

слабая связь между твердыми частицами скелета или же полное отсутствие таковой. Нескальные грунты в свою очередь подразделяются на следующие группы: крупнообломочные, песчаные, глинистые, засоленные, вечномерзлые, торф и сапропели.

Крупнообломочные

Имеют в своем составе частицы самых различных размеров крупностью более 2мм. Все грунты этой группы мало сжимаемы, высокопрочны, но обладают большой водопроницаемостью.

Песчаные грунты

Содержат в своем составе частицы от 2 до 0,05мм. Количество глинистых включений не превышает 3%. В зависимости от состава плотность грунта изменяется от 1,3 до 2,2 кг/дм3. Высота капиллярного поднятия воды равна 1м. На свойства песков оказывает значительное влияние их водонасыщение. В абсолютно сухом состоянии пески сыпучи и практически не имеют связей. При влажности соответствующей появлению капиллярной воды в песках появляется связность. Свободная гравитационная вода в песках выполняет роль смазки и увеличивает их уплотняемость и носит характер просадки. Песчанистые грунты обладают одним из самых неприятных свойств – способностью к «разжижению» - внезапному разупрочнению. Это разжижение бывает двух видов – гидродинамическое и динамическое.

Первое возможно тогда, когда гидродинамическое давление, возникшее в песчаных грунтах в результате внешней нагрузки, превысит фильтрационную прочность данного типа грунта, т.е. в том случае, когда возникающее течение жидкости в песке приведет к перемещению отдельных песчанистых частиц.

Второй вид разжижения – динамическое, реализуется в песчаных грунтах как реакция на знакопеременные динамические нагрузки, возникающие при взрывах, вибрациях, землетрясениях. Динамическое разжижение наблюдается в подавляющем большинстве случаев в мелких и пылеватых песках. При динамическом воздействии твердые частицы горизонтально смещаются относительно друг друга и оказываются на «плаву». Весь грунт теряет свою

108

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

прочность, превращаясь в разжиженную, растекающуюся массу – суспензию или плывун. Потенциально всегда находятся в плывунном состоянии водонасыщенные мелкие и пылеватые пески с фракциями от 0,1 до 0,05мм и 0,25- 0,1мм с обязательным присутствием глинистых частиц, включая коллоидную фракцию. Для плывунов характерна высокая естественная влажность до 48%, пористость до 58%, а плотность скелета 1,14-1,6кг/дм3. Коэффициент фильтрации от 0,1 до 0,01м/сутки очень мал, что соответствует плохой отдаче воды.

Другое не менее характерное свойство песчаных грунтов – тиксотропность. Тиксотропностью называется способность водонасыщенных грунтов разжижаться под действием переменного во времени внешнего воздействия (встряхивания, вибрации, частых ударов и т.п.). Это свойство определяет процесс перехода массива в плывунное состояние, когда он полностью теряет свою прочность. Вместе с тем, после прекращения воздействия такой грунт возвращается в свое первоначальное состояние в отличие от истинных плывунов, а иногда и увеличивает ее. Сущность этого явления состоит в том, что под действием внешних сил происходит разрушение структурных связей, капиллярная и вода связанных замкнутых пор переходит в свободную гравитационную. Твердые частицы как бы всплывают в воде, которая играет роль смазки, резко снижая внутреннее трение между песчинками. После прекращения воздействия структурные связи постепенно восстанавливаются, а иногда и увеличивается их количество. Тиксотропность обусловлена видом структурных связей, гранулометрическим составом и влажностью. Этим свойством обладают только нескальные грунты, а также и те, которые содержат не менее 1,5-2% глинистых частиц. Разжижение конкретного грунта во многом зависит от амплитуды внешнего воздействия. Для восстановления прочности требуется определенный промежуток времени от 5 до 25 суток и более.

Глинистые грунты.

Наиболее распространенными можно считать категорию связных грунтов, которую можно объединить по общим признакам как глинистые не скальные грунты (рис.17.). Они имеют в своем составе более 3% по массе частиц глинистой

109

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

фракции в большинстве случаев относящихся к монтмориллонитовым минералам, а в зависимости от происхождения могут содержать не только пылеватые и песчаные фракции, но и гравийные, галечниковые, булыжные и валунные твердые включения. Глинистые грунты имеют внутреннюю шкалу деления на супеси, суглинки, лессы, собственно глины и лессы.

Супеси – это грунты, содержащие в своем составе от 3 до 10% глинистых частиц, плотность их изменяется от 2.68 до 2.72 г/см3 . Максимальная влажность может достигать 10%. Высота поднятия воды – 1.5 м. Коэффициент фильтрации от 0.5 10-3 до 0.5 м/сутки.

Суглинки содержат в своем составе от 10 до 30% глинистых фракций. Плотность суглинков от 2.69 до 2.73 г/см3 . Высота капиллярного поднятия воды –

3-4 м. Коэффициент фильтрации суглинков от 5 10-5 до 5 10-3 м/сутки.

Лессы имеют сравнительно однородный состав и сложены, в основном, крупными пылеватыми частицами размерами от 0.05 до 0.1 мм при незначительном содержании песчаных и глинистых частиц не более 16% по объему. Плотность лессовых грунтов от 1.15 до 2.05 г/см3 , наиболее распространены грунты плотностью 1.3 – 1.6 г/cм3. Пористость в естественном залегании колеблется в широких пределах от 30 до 64%. Эти грунты макропористые, имеют видимые невооруженным глазом поры, составляющие 6% от объема грунта.

Влажность обычно находится в пределах от 5 до 25%, а высота капиллярного поднятия воды составляет 4 м. Коэффициент фильтрации лежит в пределах0.001 – 8.5м/сутки. Этот вид грунтов резко теряет свою прочность при увлажнении.

Глинистые грунты являются сложным образованием. Плотность глин естественной текстуры сосредоточена в пределах 1.3 – 2.5 г/см3 . Максимальная влажность может достигать 600%. Высота капиллярного поднятия воды – 8 м, а

коэффициент фильтрации менее 5 10-5 м/сутки. Наибольшей прочностью обладают глины в твердом состоянии. Кроме того, прочность глинистых грунтов

110

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

резко возрастает при быстром увеличении нагрузки и является наибольшей из всех возможных. Увеличение влажности переводит глины в текучее состояние.

Глинистые грунты набухают, то есть, увеличивают объем при увлажнении. Более того, они подвержены и тиксотропности, причем в той же мере в какой набухаемости.

Илы – это грунты, состоящие из молодых с геологической точки зрения,

Рис.17. Типы грунтов ВЧР. Слева вверху суглинки с валунно-щебеночными включениями. Справа вверху – глинистые. Слева внизу – засоленные глинистые, обогащенные лессовидными фракциями.

глинистых осадков, не прошедших стадию диагенеза (превращения в породу), а так же тем, что образование и дальнейшее существование осадков сопровождается микробиологическими процессами. Благодаря большой пористости (свыше 35%) и высокой влажности (более 50%), превышающей

111

Рис.18.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

влажность перехода в текучее состояние, структурная прочность илов крайне низка. Кроме того, илы характеризуются наивысшей степенью тиксотропности. В естественном залегании илы текучи, а при их высушивании приобретают свойства твердого упругого тела.

Многолетне мерзлые грунты (ММГ) занимают более половины территории России. Их основная особенность состоит в наличии льда, выступающего в качестве породообразующего твердого компонента. Эти грунты содержат воду в двух фазовых состояниях: жидкую и кристаллическую (лёд). Если в мерзлой породе лёд заполняет поровое пространство в виде цемента, то формируется криогенная текстура, именуемая массивной. Мёрзлые толщи в подавляющем большинстве сложены рыхлыми отложениями с различной мощностью аллювия. В основном это дисперсные системы с высоким содержанием лёссовых частиц. Пористость их определяется содержанием льда, при этом плотность массива снижается более чем на 25%. Наибольшая льдистость наблюдается в приповерхностном слое (до 50%), далее в глубину убывает (до 15-10%). Основной породообразующий минерал – кварц. Для глинистых фракций – гидрослюды и монтмориллонит.

Величина плотности мёрзлых пород, как правило, меньше, чем тех же пород в талом состоянии. Это связано с возрастанием объёма пор при переходе воды в кристаллическое состояние. Уменьшение плотности пропорционально количеству влаги в породе и существенно изменяется по глубине. Наименьшая плотность

наблюдается в приповерхностном слое грунта, где величина её снижается до 1,2– 1,5 г/см3 при 1,7–1,9 г/см3 в талом состоянии.

Количество пор в породе не увеличивается. Однако если поры полностью заполнены водой, что характерно для почв и грунтов, то возрастает объём каждой

112

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

поры при кристаллизации свободной воды. При увеличении глубины, грунт постепенно становится более консолидированным, то есть, увеличивает свою прочность. Тем не менее, лед разрывает грунты на отдельные части трещинами самого различного направления, пространство между берегами которых постепенно заполняется массами льда и вновь цементирует грунт в единое целое. При этом пористость массива всё-таки возрастает. Величины скоростей распространения упругих волн в грунтах мерзлого состояния зависят от многих факторов. Они, как правило, выше, чем в тех же талых. Установлена следующая закономерность: чем больше по модулю отрицательная температура грунта, тем выше его скоростные параметры. Примерно такая же связь наблюдается и между величинами скорости и показателем льдистости, при этом, скоростные параметры среды зависят от глубины. На границе мёрзлая земля – воздух в зимний период скорости достигают максимальных значений (температурный режим слоя (-)15о – (-)20о С). При пересечении границы нулевых температур скорость практически скачком принимает значение, характерное для грунтов положительной температуры. Для грунтов ВЧР осадочного происхождения этот перепад нередко превышает 200%. Средние значения скоростей распространения продольных волн лежат в пределах от 2000 м/с до 4500 м/с. Для осадочного чехла Сибирской плиты этот интервал несколько уже и составляет промежуток от 2000 м/с до 3000 м/с. Таким образом, мерзлые грунты обладают повышенными значениями скоростей распространения упругих волн независимо от их фракционного состава и по этому параметру приближаются к консолидированным скальным грунтам. Рис.18 представлен вид вертикального обнажения многолетне мерзлого грунта. На дне котлована – ледяная линза.

По деформационно-прочностным характеристикам мёрзлые грунты любого фракционного состава, в том числе и осадочные, намного превышают таковые для талых, и это превышение достигает величин не менее двух порядков за счет возникновения новых связей между скелетом грунта и кристаллической влагой в порах. По мере понижения температуры и повышения концентрации льда мгновенные значения прочности, а вместе с ними и модулей упругости, быстро

113

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

возрастают и тем выше, чем большее количество воды в порах превратилось в лёд. Дисперсность грунтов понижает прочностные свойства материала, но пределы линейной упругости ММГ даже при температуре (-)1оС остаются в 10 раз больше тех, которые наблюдаются в талом состоянии. Деформационные характеристики Предельные значения упругих деформаций для мерзлых пород не менее чем в 10 раз больше талых.

Торфы – представляют собой грунты чисто органического происхождения, которые образуются в результате отмирания болотной растительности в процессе превращения в болота водоемов и сухих мест. Они значительно отличаются по своим свойствам от минеральных грунтов. Торфы делят на низинные, переходные и верховые. Наиболее полно изучены низинные. Деформируемость торфов определяется состоянием скелета – каркаса и в целом достаточно велика. Плотность каркаса значительно меньше плотности воды и для разных болотистых мест не одинакова. Практически можно принять среднее значение плотности в 0.7 г/см3 . Влагонасыщенность торфов как правило максимальна и может превосходить 1000% по весу, конечно.

Засоленные грунты – это обычные минеральные грунты, которые содержат в своем составе минеральные соли и не обязательно пищевые. Как правило, это смесь NaCl, KCl, MgCl2 и др., но преобладает всегда NaCl. Эти минеральные соли содержатся в грунтах в виде отдельных включений, заполняющих поровое пространство между зернами скелета вмещающей породы. Они образуют, как и лед в ММГ, дополнительные связи, которые цементируют частицы грунта между собой, повышая, довольно значительно, прочностные характеристики особенно в сухом состоянии. Хорошо растворимые соли приводят к повышенной склонности засоленных грунтов к всасыванию влаги, при этом они быстро теряют свою прочность, превращаясь в пластичную и текучую массу.

4.3. Прочность грунтов

Способность грунтов воспринимать силы внешнего воздействия не разрушая собственную текстуру называется их прочностью и определяется сопротивляемостью сдвигу. Попытка сдвига одной твердой частицы относительно

114

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

другой приводит к возникновению силы сопротивления внутри среды, которая выражается как сила трения или сила внутреннего трения грунта. Если частицы соединены между собой структурными связями, то сдвинуть их друг относительно друга можно только в том случае, если разрушить эти связи. При этом в грунте формируются новые силы сопротивления за счет изменения структурных связей, которые получили наименование сил сцепления. Предельная сила сопротивления грунта сдвигу равна, следовательно, сумме двух сил – силы внутреннего трения и сцепления частиц. Это выражается следующим уравнением: F = Fтр + Fсц = kc Fn + Fсц, где: kc – коэффициент трения скольжения, Fn – сила нормального давления, Fсц – сила сцепления частиц. Поскольку движение скольжения происходит по некоторой поверхности, то уравнение равновесия можно записать в терминах напряжений - τ = kc p + c = ptgϕ + с. Это уравнение носит имя закона Кулона. Здесь: τ - предельное напряжение грунта сдвигу, p – сжимающее давление, приложенное к элементу поверхности грунтового массива,

ϕ - угол внутреннего трения грунта (град.), с – удельное сцепление частиц грунта. Сжимаемость водонасыщенных грунтов существенно отличается от тех же сухих, поскольку внешнее давление воспринимается и скелетом и водой, находящейся в порах. В процессе уплотнения грунта давление в поровой воде уменьшается за счет перетока жидкости под действием внешнего напора, а давление в скелете возрастает, приближаясь в пределе к напряжениям в сухом скелете. В любой момент времени общее давление состоит из суммы двух слагаемых: p = pn + pe , где: pn – нейтральное (напор выдавливания воды из пор) и pe – эффективное (часть общего давления воспринимаемого скелетом). В этом случае уравнение предельного равновесия водонасыщенного грунта принимает вид: τ = ptgϕ + с = kc (p - pn) + c = tgϕ(p – pn ) + c. (Обозначения выше). Принимая во внимание, что V = Ve + Vn, а n = Vn/V, запишем уравнение энергии деформируемого объема грунта через внешнее давление: pV = pe Ve + pn + Vn = pe (V – Ve ) + pn Vn , откуда найдем, что pn = p(n/2n+1) и, подставляя в уравнение

предельного равновесия будем иметь:

τ = ptgϕ[(1+n)/1+2n] + c, где n – коэффициент пористости грунта.

115

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Грунты под действием внешних сил проходят три стадии деформирования: уплотнение, образование сдвигов (зоны локальных пластических деформаций) и сплошных поверхностей скольжения и выпирания. В начале первой фазы деформирования грунт проседает только за счет упругой деформации. Постепенно с ростом нагрузки начинают появляться остаточные перемещения. Максимальная величина нагрузки, при которой грунт находится в состоянии упругого сопротивления, называют структурной прочность сжатия. При этом частицы грунта смещаются без отклонений от направления действия силы. Вторая стадия наступает при дальнейшем росте нагрузки на грунт и выражается в появлении множественных зон местного разрушения и локальных пластических течений. Здесь формируется жесткое ядро, которое становится слитным с плоскостью нагрузки. Образовавшееся ядро, действуя как несжимаемый клин, раздвигает грунт в боковых направлениях, где образуются сплошные поверхности скольжения. Грунт выдавливается из глубины на поверхность, что носит специальное название «выпирания». Наступает третья стадия деформирования, когда грунт полностью утрачивает способность к сопротивлению внешним нагрузкам.

Таблица 6.

Значения удельного сцепления сn кПа – (1), угла внутреннего трения ϕn град.

– (2), модуля деформации е мПа – (3).

		Обозначения	Характеристики			грунтов	при
Песчаные грунты		характеристик	коэффициенте
		грунтов	пористости е, равном:
			0,45	0,55		0,65	0,75
		1	2	1		-	-
Гравелистые	и	2	43	40		38	-
крупные		3	50	40		30	-
Средней крупности		1	3	2		1	-
		2	40	38		35	-

116