ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

Под грунтами понимаются любые горные породы, почвы, осадки и антропогенные геологические образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамические системы, исследуемые в связи с планируемой, осуществляемой или осуществленной инженерной деятельностью человека.

Изучением грунтов занимается грунтоведение — специальный раздел инженерной геологии, крупное и самостоятельное научное направление, исследующее состав, состояние, строение и свойства грунтов и сложенных ими грунтовых толщ (тел и массивов), закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием современных и прогнозируемых геологических процессов, формирующихся в ходе развития земной коры под влиянием совокупности всех природных факторов и в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной, деятельностью человека.

В соответствии с ГОСТ 25100 — 95 (Р.С.Зиангиров, В.Т.Трофимов) все разновидности грунтов прежде всего подразделяются на два «царства»: царство природных грунтов и царство техногенных (искусственных) грунтов. В каждом «царстве» выделяются три класса (разновидности) грунтов, отличающихся типом структурных связей: скальные, мерзлые и дисперсные.

Для класса скальных грунтов обычно свойственно наличие жестких кристаллизационных или цементационных структурных связей необратимого характера, придающих этим грунтам свойства твердых тел и в большинстве случаев повышенную прочность.

К классу мерзлых грунтов относятся все грунты с криогенным типом кристаллизационных структурных связей, проявляющихся в области отрицательных температур при наличии льда, прочность которых зависит от температуры. В этих грунтах структурные связи представлены льдом замерзшей поровой воды.

К классу дисперсных относятся грунты без четко выраженных жестких структурных связей: связные (супеси, суглинки, глины, илы, сапропели, торфы и др.) и несвязные (сыпучие) грунты (песчаные и крупнообломочные). Прочность связных грунтов определяется молекулярными связями коагуляционной и водноколлоидной природы. По интенсивности своего проявления эти связи зависят от влажности и плотности грунта и носят обратимый характер. В несвязных (сыпучих) грунтах связь между структурными элементами реализуется за счет непосредственного механического контакта между ними (фактор сил трения и сцепления зацепления).

Все показатели, характеризующие геотехнические свойства грунтов, могут быть подразделены (Н.Н.Маслов) на два класса.

К I классу относятся показатели, дающие прямой ответ при характеристике того или иного свойства грунта, которые могут быть непосредственно использованы для тех или иных расчетов. К числу показателей I класса относятся показатели, прямым образом характеризующие прочность грунтов (в том числе сопротивляемость их сдвигу и деформируемость), вязкость, водопроницаемость, плотность, удельный вес и т.д. Эти показатели должны характеризовать природные свойства грунтов, поэтому они подлежат определению на основе изучения лишь образцов с ненарушенной структурой, т.е. монолитов, взятых из шурфов, шахт, штолен и из скважин, с извлечением их в необходимых случаях из толщи специальными приборами — грунтоносами. Определение показателей I класса в большинстве случаев требует проведения более или менее сложных экспериментов с применением специальной аппаратуры и нередко значительной затратой времени.

Показатели II класса дают лишь общую характеристику породы по ее составу и состоянию.

Характеристики II класса, как правило, определяются на образцах грунта с нарушенной структурой и непосредственно в расчетах не используются.

Показатели I класса нередко называются физико-техническими, а показатели II класса — физическими характеристиками грунтов.

Основными показателями состава дисперсных грунтов являются:

•петрографический, минералогический и химический составы;

•гранулометрический состав;

•плотность частиц грунта;

•показатели пластичности (для связных грунтов): предел текучести (граница текучести), предел пластичности (граница раскатывания), число пластичности.

К основным показателям состояния дисперсных грунтов относятся:

•влажность;

•пористость;

•коэффициент пористости;

•удельный вес сухого и влажного грунта;

•показатель текучести (для связных грунтов).

Гранулометрический состав грунта

Определение гранулометрического состава заключается (ГОСТ 12536 — 79) в установлении процентного содержания в грунте по массе частиц того или иного размера. Изменение размеров частиц или обломков, из которых состоят различные грунты, в сильной степени сказывается на физических, механических и других свойствах грунтов. Особенно сильно размер и форма частиц обломочного материала сказываются на свойствах грунтов без жестких связей, при изучении которых размер обломков и их количественное соотношение в грунте (породе) являются одними из важнейших классификационных признаков.

В зависимости от преобладающего размера обломков различают следующие обломочные несцементированные грунты: крупнообломочные, пески, супеси, суглинки и глины.

Большое внимание уделяется классификации обломков осадочных пород (грунтов) по их размерам. Обширные экспериментальные исследования в этом направлении были проведены В. В.Охотиным, С.С.Морозовым, Н.А.Качинским, П.Ф.Мельниковым и др. В строительстве грунты подразделяют по размерам частиц на четыре фракции: гравийную (и галечниковую), песчаную, пылеватую и глинистую.

Гравийные (размером 2... 10 мм) и галечниковые (размером 10...200 мм) частицы представляют собой окатанные, а если не окатанные, то соответственно дресвяные и щебенистые обломки горных пород, не обладающих связностью в сухом состоянии. Водопроницаемость таких частиц достигает более 100 м/сут; капиллярное поднятие и перемещение воды отсутствует. Наличие этих частиц в грунте в количестве более 30 % придает ему скелетность, прочность и устойчивость. Минералогический состав частиц различный.

Песчаные частицы (размером 2,00...0,05 мм) представляют собой обычно окатанные обломки минералов, реже — обломки пород. Такие частицы легко обнаруживаются в породе при визуальном осмотре. Песчаные частицы не обладают связностью в сухом состоянии и не набухают в воде. Водопроницаемость их значительна, капиллярное поднятие невелико. Усадка, пластичность и липкость отсутствуют.

В производственных условиях при разработке гравийных месторождений или дроблении каменных материалов и рассеве этих материалов на отдельные фракции границей между гравийными (дресвяными) и песчаными частицами принято считать не 2, а 5 мм, поскольку процесс просеивания частиц через грохоты с отверстиями 5 мм при получении песчаных фракций происходит значительно быстрее и производительнее, чем через грохоты с отверстиями 2 мм.

Пылеватые частицы (размером 0,050...0,001 мм) по минеральному составу представляют собой чистый кварц, реже — полевые шпаты и другие минералы. Пылеватые частицы состоят обычно из аморфной кремниевой кислоты. Пылеватые частицы характеризуются очень слабой связностью в сухом состоянии, в воде не набухают или же набухают очень незначительно, непластичны, способны в относительно короткое время поднимать по капиллярам воду на высоту до 3 м. Пылеватые частицы отличаются от песчаных способностью легко переходить в плывунное состояние. Водопроницаемость грунтов, состоящих из пылеватых (особенно мелких пылеватых) частиц, крайне незначительна.

Глинистые частицы (размером менее 0,001 мм) являются наиболее активной тонкодисперсной частью грунтов и представляют собой в большинстве случаев смесь минералов каолинита, монтмориллонита, гидрослюд, гидроксидов железа и марганца, кварца, а также тонких частичек гумусовых веществ. Грунты, содержащие в большом количестве глинистые частицы, практически водонепроницаемы, обладают большой влагоемкостью и сильно набухают в воде. Пластичность, липкость, набухание, водоудер-живающая и адсорбционная способности глинистых частиц проявляются в очень сильной степени.

Относительное содержание по массе частиц грунта различного размера, выраженное в процентах к общей массе сухого грунта, называется зерновым составом грунта.

В зависимости от размеров частицы грунта подразделяют на отдельные группы, называемые фракциями. Каждая фракция включает в себя частицы, размер которых изменяется в определенных пределах, например от 2 до 1 мм, от 0,250 до 0,05 мм и т.д.

Для определения зернового состава грунтов производят анализ, который заключается в расчленении взятой для исследования порции грунта (навески) на составляющие первичные элементы — от самых крупных (размером в несколько миллиметров) до самых мелких (размером в тысячные доли миллиметра) — и последующем весовом определении содержания отдельных групп частиц. Затем находят процентное отношение каждой фракции к общей массе навески.

Зерновой состав является одной из важнейших характеристик грунта, имеющей существенное значение для оценки его физико-механических свойств при использовании в строительстве.

В практике лабораторных испытаний применяют методы анализа зернового состава грунтов, основанных на различных принципах. При этом наиболее широкое распространение в лабораториях получили следующие методы.

Метод просеивания на ситах (ситовой метод). По этому методу непосредственное разделение частиц грунта по размеру частиц производят путем просеивания его через набор сит с отверстиями разного диаметра: 25; 20; 15; 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,51; 0,14 и 0,07 мм. Остатки на ситах взвешивают и определяют процентной отношение к общей массе грунта. Ситовой метод применяют в основном для определения содержания частиц разного размера в крупнообломочных и песчаных грунтах, реже — в супесчаных грунтах.

Метод отмучивания. Он основан на учете различной скорости падения частиц в воде после ее взмучивания. Чем больше диаметр частиц, тем быстрее они осаждаются в воде. Так, частицы размером 0,05 мм падают в воде со скоростью 0,2 см/с, тогда как врем; падения частиц размером 0,001 мм на глубину 1 см составляет 3 ч 28 мин.

Часто для литологической характеристики грунта (глин, суглинков, супесей, тяжелых или легких), особенно в полевых условиях, достаточным оказывается определение процентного содержания в породе следующих групп частиц: песчаных крупнее 1 мм; песчаных размером 1... 0,05 мм; пылеватых размером 0,05... 0,005 мм; глинистых размером менее 0,005 мм.

Содержание в породе частиц крупнее 2 мм устанавливается просеиванием навески грунта через сито с отверстиями 2 мм. Количество же песчаных фракций (диаметром 0,05... 1 мм) определяется путем удаления из грунта глинистых и пылеватых частиц, т. е. его отмучиванием. Для этого порцию грунта помещают в мензурку с водой и энергично взбалтывают ее. Затем после оседания на дно пробирки песчаных частиц мутную воду, содержащую во взвешенном состоянии пылеватые и глинистые частицы, сливают. Процедуру повторяют несколько раз до полного просветления сливаемой жидкости, после чего замеряют объем песчаного осадка.

Содержание в грунте глинистых частиц х определяется по приращению объема навески грунта в воде за счет разбухания глины по специальной таблице или по формуле

где Vo — приращение объема на 1 см³ первоначально взятого объема грунта.

Содержание пылеватых фракций после выполнения этих операций устанавливается расчетом как дополнение к полному объему.

Метод отбора проб суспензии пипеткой (пипеточный метод). Пипеточный метод отбора проб суспензии с определенной глубины через определенные сроки также основан на учете скорости падения частиц в спокойной воде. Для производства анализа взмучивают грунтовую суспензию и оставляют ее в покое на некоторое время, после чего пипеткой (объемом 20...30 см3) с определенной глубины отбирают пробу суспензии. Такая проба содержит только те частицы, которые не успели осесть за указанное время отстаивания. При следующих пробах, взятых пипеткой через большие промежутки времени от начала отстаивания суспензии, получают более мелкие частицы. Определяя массу высушенных проб и зная размер отобранных частиц (вычисляемый по длительности отстаивания суспензии и глубине взятия проб), после перерасчета получают данные о содержании частиц этого размера во всем объеме суспензии.

Ареометрический метод. При этом методе производят измерения плотности отстаиваемой суспензии ареометром через определенные промежутки времени. Плотность, измеренная ареометром, зависит от содержания в суспензии взвешенных твердых частиц. Получив значения убывающей плотности через определенные промежутки времени, с помощью расчетных формул или по номограммам определяют количество содержащихся в грунте частиц определенного размера.

При проведении анализа зернового состава пипеточным (в различных его модификациях) или ареометрическим методом для расчета скорости падения частиц различных размеров в суспензии грунта после ее взбалтывания пользуются формулой Стокса или таблицами скорости падения частиц. Пипеточный и ареометрический методы широко применяются для проведения анализа зернового состава и микроагрегатного анализа глинистых грунтов.

Графические методы изображения зернового состава. Результаты гранулометрического анализа грунтов для большей наглядности, а также для облегчения соответствующих расчетов сводят в таблицу или строят по ним графики. Чаще всего зерновой состав грунта изображают в виде суммарной кривой (кривой накопления, или кумулятивной кривой). В этом случае ординаты суммарной кривой соответствуют не содержанию отдельных функций, а сумме фракций частиц менее определенного диаметра. Для построения кривой по оси ординат откладывают суммарный процент (от 0 до 100) содержания фракций, а по оси абсцисс — логарифмы диаметров частиц. Для нанесения суммарной кривой зернового состава пользуются обычно готовой сеткой, построенной в полулогарифмическом масштабе. На одну и ту же сетку можно наносить несколько кривых для различных видов грунтов (рис. 13.1).

По суммарной кривой можно находить так называемый действующий (эффективный) диаметр частиц грунта (d₁₀, мм), меньше которого в грунте содержится частиц не более 10 %. Эту условную величину используют при расчетах коэффициента фильтрации по данным анализа зернового состава.

Иногда на кривой накопления выделяют также размер частиц, мельче которого в грунте содержится 60% (d₆₀, мм). Отношение d₆₀/ d₁₀ называется коэффициентом (степенью) неоднородности К.

Рис. 13.1. Графическое изображение зернового состава в виде суммарной (комулятивной) кривой:

1 — глина; 2 — пылеватый суглинок; 3 — песок

Чем больше К, тем более разнородным по зерновому составу является грунт и тем он устойчивее и плотнее.

Пески с коэффициентом неоднородности К > 3 считаются раз-нозернистыми (неоднородными); пески с К < 3, а также мелкие пески с содержанием 90 % и более (по массе) частиц размером 0,1...0,25 мм считаются однородными.

Графическое изображение зернового состава различных грунтов позволяет наглядно и быстро производить их сравнение и решать некоторые задачи по искусственному изменению состава грунтов.

По гранулометрическому анализу классифицируются лишь крупнообломочные и песчаные грунты (табл. 13.1).

Дополнительно к данной классификации Э. М.Добровым рекомендовано использовать для строительства классификацию крупнообломочных грунтов по каркасности и степени водостойкости, приведенную в табл. 13.2.

Среди общих классификаций наибольшее практическое применение нашли классификации В. В. Охотина, разработанные с учетом требований и специфических условий дорожного строительства. Ценность классификаций В. В. Охотина заключается в том, что они построены на количественном учете содержащихся в грунтах глинистых частиц, которые во многих случаях оказывают решающее влияние на свойства и поведение дисперсных грунтов в инженерных сооружениях.

Название видов и разновидностей грунта по данным классификациям устанавливали в зависимости от количественного содержания в грунте глинистых, пылеватых и песчаных частиц (табл. 13.3).

В приведенной классификации глинистыми считаются фракции с размером частиц меньше 0,005 мм. При преобладании в суглинистых и супесчаных грунтах пылеватых фракций (размером 0,05...0,005 мм) над песчаными (размером 0,05...2 мм) к наименованию грунта добавляется слово «пылеватый».

Известные трудности в определении зернового состава глинистых грунтов (например, принятие для расчетов скорости падения частиц шарообразной формы и средней плотности частиц), а также большая зависимость результатов анализа зернового состава от способа подготовки пробы грунта к анализу снижают практическое значение классификаций, построенных только на данных анализов зернового состава.

В связи с этим целесообразно подразделять глинистые грунты на типы и виды по предложенной В. М. Безруком классификации которая учитывает два основных показателя: содержание песчаных частиц в данном грунте и число пластичности фунта (табл. 13.4). Число пластичности (см. подразд. 13.4) является комплексным объективным показателем, суммарно отражающим глинистость и физико-химическое состояние тонкодисперсной части грунта.

Таблица 13.4. Типы и виды глинистых грунтов по В.М.Безруку

Примечания: 1. Для супесей легких крупных учитывается содержание частиц размером 2,00...0,25 мм.

2. При содержании в грунте 25...50% (по массе) частиц крупнее 2 мм к названию видов глинистых грунтов добавляется слово «гравелистый» (при окатанных частицах) или «щебенистый» (при неокатанных частицах).

Преимуществом этого показателя является то, что при его опре-делении не приходится прибегать к нарушению свойств и состава грунта (разрушению карбонатов, удалению легкорастворимых солей, растиранию, кипячению и добавлению диспергирующих реагентов), что приходится делать при выполнении анализов зернового состава.

Крупнообломочные и песчаные грунты характеризуются хорошей водопроницаемостью, отсутствием или очень малой капиллярностью. Их применяют в качестве дренирующего материала в подстилающих слоях, зерновых добавок или заполнителей в цементном или асфальтовом бетоне (если они отвечают соответствующим техническим требованиям). Песчаные пылеватые грунты в сухом состоянии так же не связны. При увлажнении они переходят в плывунное состояние. Как дренирующий материал они мало пригодны.

Супесчаные легкие грунты обладают относительно благоприятными свойствами и используются в качестве материала проезжей части грунтовых дорог, а также в основаниях дорожных покрытий. Они слабопластичны, в сухом состоянии обладают достаточной связностью, пылеобразование незначительно. Эти грунты быстро просыхают, не набухают и не обладают липкостью. Они устойчивы в сухом и влажном состояниях, так как сочетают в себе положительные качества песчаных (большое внутреннее трение и хорошая водопроницаемость) и глинистых (связность в сухом состоянии) частиц.

Супесчаные пылеватые грунты характеризуются преобладанием пылеватых частиц. В сухом состоянии они сильно пылят, при увлажнении быстро размокают и переходят в плывунное состояние. В них относительно быстро и на большую высоту (до 3 м) поднимается капиллярная вода, что в ряде случаев способствует образованию пучин на дорогах. Эти грунты обладают малой пластичностью и плохой водопроницаемостью. Для отсыпки дорожных насыпей земляного полотна такие грунты неблагоприятны, особенно супеси тяжелые пылеватые (Н.Н.Иванов, Н.В.Орнатский, Н.А. Пузаков, А.Я.Тулаев, В.М.Сиденко, В.И.Рувинский и др.). К этим грунтам относятся также некоторые виды лёссов.

Суглинистые легкие грунты отличаются связностью и незначительной водопроницаемостью. Пластичность, липкость, набухание и капиллярные свойства проявляются в заметной степени, особенно с увеличением количества глинистых частиц.

Суглинистые легкие пылеватые грунты и супесчаные тяжелые пылеватые грунты по свойствам близки друг к другу. Большая высота капиллярного поднятия воды и способность переходить в плывунное состояние при увлажнении (при небольшом количестве глинистых частиц) обусловливают весьма неудовлетворительные свойства этих грунтов при использовании их в дорожных сооружениях.

Суглинистые тяжелые грунты в сухом состоянии обладают зна чительной связностью и плотностью. Они трудно поддаются раз работке, медленно просыхают после увлажнения и обладают нич тожной водопроницаемостью. Пластичность, липкость, набухание влагоемкость и капиллярные свойства в этих грунтах резко выра жены.

Глины характеризуются большой плотностью и связностью. Они практически водонепроницаемы и трудно поддаются разработке Глины обладают большой пластичностью, липкостью и набуха|нием. Капиллярные свойства глин выражены в меньшей степени, чем суглинистых и пылеватых грунтов. В основаниях дорожных покрытий при плохом водоотводе глины обладают малой несущей способностью.

Зерновой состав грунтов является хотя и очень важным, но не единственным признаком, по которому можно окончательно судить об устойчивости грунтов в дорожных сооружениях. Для более полной и правильной оценки свойств грунтов необходимо также учитывать их генезис, минеральный и химический составы, физическое состояние и другие особенности.