книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

грунтов в качестве основной характеристики разновидности скаль­ ных грунтов ГОСТ принимает предел прочности на одноосное сжатие образцов в водонасыщенном состоянии (МПа). Различа­ ют скальные грунты:

Очень прочные .....................	Д .>120	Пониженной прочности........	5>Яс>3
Прочные................................	120>Дс>50	Низкой прочности....................	3>ЛС^ \
Средней прочности ............	50> Д .> 15	Весьма низкой прочности ....	Д.<1
М алопрочные....................	15>J?c>5

Скальные грунты при Rc<5 МПа называют полускальными.

Внаименовании учитывают выветрелость, растворимость и др.

Винженерной практике часто используют обобщенные харак­ теристики трещиноватости скальных пород: КТП — коэффициент

трещинной пустотности, М-гр — модуль трещиноватости. Коэф­ фициентом трещинной пустотности называют отношение объ­ ема трещин к объему скальных блоков. Формально эта харак­ теристика аналогична пористости нескальных грунтов. Но если в обычных условиях для нескальных грунтов п колеблется от 0,3 до 0,5, то для скальных грунтов КТП составляет сотые и даже тысяч­ ные доли единицы, достигая в исключительных случаях значения 0,1...0,15. Модуль трещиноватости — это количество трещин на 1 м длины обнажения скального. грунта. Максимальные значения этого показателя приближаются к 100, минимальные составляют доли единицы.

С использованием этих показателей разработаны различные способы классификации трещиноватых скальных пород.

2.3. О связи физических и механических характеристик грунтов

Классификация грунтов позволяет не только определить данный грунт, т. е. выделить его среди многообразия других грунтов, но

ичасто установить ориентировочные значения его прочностных

идеформационных характеристик. Действительно, прочность и де­ формируемость грунтов непосредственно связаны с их физическими свойствами и состоянием. Например, увеличение пористости песча­ ного или глинистого грунта (увеличение коэффициента пористости) при прочих равных условиях непременно повлечет за собой сниже­ ние его прочности и повышение деформируемости. Соответственно увеличение влажности (показателя консистенции) глинистого грунта также при прочих равных' условиях приведет к снижению его про­ чности и повышению деформируемости. Следовательно, установле­ ние связей между физическими и механическими характеристиками

грунтов в определенных условиях правомочно.

41

Так, в частности, основываясь на обобщении огромного коли­ чества испытании, СНиП 2.02.01 — 83* допускает для предвари­ тельных расчетов оснований, а также для окончательных расчетов пгипдшшн чдяотш и сооружений П и Ш классов -и опор воз­ водимых пяиийэлектропередачи и связи независимо от их клас­ са определять нормативные и расчетные значения прочностных н деформационных характеристик грунтов по их физическим ха­ рактеристикам. С этой целью в СНиПе приводятся таблицы нор­ мативных значений прочностных и деформационных характеристик некоторых разновидностей песчаных и глинистых грунтов и значе­ ния соответствующих коэффициентов надежности по грунту.

Важной характеристикой несущей способности является рас­ четное сопротивление грун тов основания Во (кПа), ориен­ тировочно оценивающее допускаемое давление на данный грунт под подошвой фундамента, имеющего ширину 1 м н глубину заложения 2 м.

СНнП 2.02.01 — 83* допускает назначать предварительные раз­ меры фундаментов исходя из этой величины. Кроме того, значение величины Во для различных слоев при сложном напластовании позволяет на ранней стадии изысканий, определив только физичес­ кие характеристики грунтов, провести приблизительную сопостави­ тельную оценку их несущей способности.

СНиПом рекомендуются следующие расчетные сопротивления песчаных и глинистых грунтов (табл. 2.3, 2.4).

1 г ^г1“ *	Замение До, хПа, при показателе текучести
	грунта /£, равном
	__________ 1	*
	Супеси
0,5	300	300
0,7	250	200

42

			Продолж ение, т абл. 2.4
Коэффициент пористости е	Значение Яд, кПа, щи показателе ictyчести
			грунта 4 , равном
		о	1	1 ■
	Суглинки
0,5	I1	300	1	250
0,7	1	250	||	180
1,0		-200		100
	Глины
0,5		600		400
0,6		500		300
0,8		300		200
1,1		250		100

2.4. Геологическое строение оснований

Сооружение редко располагается на одном грунте. Обычно в ос­ новании оказывается несколько типов грунтов (рис. 1.1). Тогда кроме оценки свойств каждого грунта возникает не менее важная задача — схематизация геологического строения основания, т. е. выделение внутренне однородных объемов разных грунтов и прове­ дение границ между ними. Эта задача подробно рассматривается

вкурсе инженерной геологии. Здесь же остановимся лишь на неко­ торых принципиальных вопросах.

По предложению Н. В. Коломенского однородные части в гео­ логической среде называют инж енерно-геологическими эле­ ментами. Однородность элемента рассматривается как стати­ стическое понятие, т. е. принимается, что характеристики грунта

вего границах изменяются случайно, причем величина изменения этих характеристик не должна превышать определенных пределов. Обычно выделение инженерно-геологических элементов основания производится по данным анализа характеристик физико-механи­ ческих свойств грунтов. Тогда приведенные выше, понятия нор­ мативных и расчетных характеристик в среднем определяют свой­ ства грунта, в границах выделенного инженерно-геологического элемента.

Практически при проведении границ между инженерно-геоло­ гическими элементами сначала строят геологическую гипотезу о расчленении грунтовой толщи. При этом, во-первых, проводят границы между грунтами разного происхождения, во-вторых, меж­ ду грунтами различного наименования внутри каждого возрастного комплекса и, в-третьих, между грунтами различного состояния. Схематизация геологического строения основания является слож­ ной инженерно-геологической задачей, от правильного решения

43

которой во многом зависит достоверность последующих расчетов, а следовательно, и судьба сооружения.

Форма и размеры геологических тел в основании сооружении. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис. 2.3). Самой распространенной формой залегания осадочных горных пород, т. е. всех нескальных и части скальных грунтов, является слой. С лоем называют внутренне од­ нородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассмат­ риваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подо­ швой и кровлей.

Расстояние между этими поверхностями называют мощностью слоя. Часто подошва и кровля горизонтальны, плоски и практичес­ ки параллельны, как показано для слоя 4 на рис. 2.3. Это характерно для морских, озерных и некоторых, других отложений. В континен­ тальных отложениях мощность слоя обычно меняется (слой 1 на рис. 2.3).

Внутри слоя залегает грунт одного наименования, но не обяза­ тельно одного состояния. Например, часть слоя суглинка может находиться в мерзлом, часть — в талом состоянии; часть слоя песка — в водонасыщенном, а часть — во влажном или маловлаж­ ном состоянии и т. п. Положение границы между грунтами различ­ ного состояния может меняться со временем в естественных услови­ ях и тем более после освоения территории. Границы же слоев значительно более устойчивы. Хотя выветривание и некоторые техногенные воздействия на грунты способны изменить их состав настолько, что с течением времени изменяется наименование грун­ та, а с ним и положение границы слоя.

Л инзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой пове­ рхностью (3 на рис. 2.3).

Из определения следует, что мощность линзы меняется от неко­ торого максимального значения до нуля. Линзы, как и слои, рас­ полагаются горизонтально или слабо наклонно. В отдельных случа­ ях слои и линзы могут быть смяты в складки, что свидетельствует о прошедших в прежние времена пластических деформациях мас­ сива.

В определениях слоя и линзы использовалось понятие «рассмат­ риваемой области». Можно следующим образом определить это понятие. Если известно пятно застройки сооружения, то рассмат­ риваемой областью будет, по существу, основание этого сооруже­ ния, т. е. та часть массива, в которой под влиянием нагрузок от сооружения происходят деформации грунта. Поскольку инженерно­ геологическая модель массива грунта часто строится до выбора конкретного места для сооружения, рассматриваемой областью будет являться вся часть слоистой толщи или массива, попадающая на геологический разрез. Тогда слоем будет геологическое тело,

	границы которого пересекают
	вертикальные границы разреза;
	линзой — геологическое				тело,
	замкнутое внутри разреза.				тело
	Если	геологическое
	входит с одной стороны в раз­
	рез и заканчивается в нем, го­
	ворят, что имеет место				вы ­
	клинивание слоя.
	Мощности слоев и линз мо­
	гут быть невелики (несколько
	дециметров), но		могут		быть
	и значительны. Обычно мощ­
	ность слоев и линз изменяется
	в пределах метров, но иногда
	достигает 10 и даже 30 м. Од­
	нородные слои мощностью бо­
	лее указанных значений встре­
	чаются	крайне	редко. Мощ­
	ность слоя в таких случаях на					егговом м асси ве:
	разрезе	может быть		показана
						1 — слой суглинка; 2 — слой песка, включа­
	лишь частично.		В	расчетной
						ющий линзу гравия 3; 4— слой супеси, вжлю-
	схеме такой мощный слой обы­					чащий песчаный прослой 5; 6 — известил; С,
	чно рассматривается как полу­					fQ, aQ, dQ—геологическиеиндексы возраста
						и генезиса

пространство.

Спои мощностью менее 0,5 м, как правило, не выделяются. Их необходимо выделять только в тех случаях, когда такой маломощ­ ный слой сложен породой с резко отличными инженерно-геологи­ ческими свойствами. Например, выделяется песчаный водопроводя­ щий слой среди суглинка или слой слабого глинистого грунта среди водонасыщенных песков и т. п.

Очень тонкое однородное геологическое тело, ограниченное дву­ мя непересекающимися поверхностями, называют прослоем (5 на рис. 2.3).

Врасчетной схеме прослой часто моделируют поверхностью,

впростейшем случае — плоскостью. Правильное изображение про­ слоев имеет исключительно большое значение, например, при про­ гнозе устойчивости склонов и при расчете фильтрации.

Ж ила — это внутренне однородное геологическое тело, протя­ женное и пересекающее слои.

Жилы обычно располагаются вертикально или наклонно. Жилы и подобные им более мощные тела (дайки) встречаются обычно в скальных грунтах, где они не нарушают прочности массива. В нескальных грунтах практически термин «жила» применяется исключительно в словосочетании «жила льда», так как скопление

45

ГП.ДЯ в мерзлых породах в форме жил, а также линз значительно ослабляет основание и детально изучается при изысканиях.

Наряду с внутренне однородными телами в толще грунтов геологи выделяют зоны, например зону выветривания или зону повышенной трещиноватости у разрыва, зону промерзания.

Зоной называют часть массива или толщи, где происходят закономерные постепенные изменения свойств грунтов с глубиной или же в каком-либо другом определенном направлении, например по нормали к крупной наклонной трещине. Зона — это область перехода от грунтов с одними свойствами к грунтам с другими свойствами.

Границы меящу геологическими телами. Определение границ между геологическими телами при построении инженерно-геологи­ ческой модели массива грунта или геологического разреза далеко не всегда оказывается простым делом. Необходимо помнить, что строение грунтовой толщи определяется интерполяцией данных, полученных по отдельным вертикалям (бурение скважин, геофизи­ ческая разведка и т. п.). В зависимости от расстояния между этими вертикалями и условий образования грунтов границы, показанные на разрезе, будут лишь более или менее соответствовать дейст­ вительным.

В природе границы между геологическими телами могут быть резкими или неопределенными («размазанными»). Например, если на коренное ложе долины, промытое в скальной породе, река откладывает песок, то граница между скалой и песком будет обяза­ тельно резкой. Внутри же аллювиальных отложений слой песка с вышележащим слоем супеси может быть связан постепенным переходом. Установить границу между ними можно лишь условно, по изменению числа пластичности IF. Граница между песком и су­ песью, зафиксированная инженерно-геологической разведкой, мо­ жет не отмечаться «на глаз» в котловане. Эго, однако, не значит, что она не существует.

Границы, как резкие, так и условные, могут быть плавными или очень сложными по форме. На разрезе же они изображаются оди­ наковой тонкой линией (рис. 2.4). Границы между геологическими телами, например в толще ледниковых И водно-ледниковых отложе­ ний, могут быть очень неправильными по форме,- извилистыми, но зачастую резкими (рис. 2.4, а). Неоднородность строения леднико­ вой толщи может существенно осложнять строительство.

Еще более сложной является граница между коренной породой и продуктами ее выветривания — элювием. Эта граница обычно то поднимается к поверхности, то погружается на глубину в несколько метров (рис. 2.4, в). Выявление границы элювия только в 2...3 вертикалях почти ничего не говорит о ее положении между этими вертикалями. Проведение спрямленной границы между скважинами может привести к значительным ошибкам, которые выявляются

46

б)

Рис. 2.4. Формы геологических границ в грунтовых толщах различного пронсхож-

а — ледниковые и водво-деднихоиые отложшюц б — элювий; в —морок и озерные отло­ жения; г — элювий (детализация); 1 — песок; 2 — суглинок; 3 — то же, с i

крупнообдомочного материала; 4 — хрупнообламочные гр	'
трещиноватый; 6 — граница между геологическими телами; 7	„ _ __

заня; индексами обозначены возраст и правсхождшве горных тород: уА - эры; mN — морские отложвниж веогенового периоде; IQ — оэервые чет

" — элювиальные четверопные образовании; gQ —

при вскрытии котлованом или при сгущении сети скважин. На рис. 2.4, г приведена деталировка разреза (рис. 2.4, в), показывающая, как усложнилось представление о геологическом разрезе после про­ ходки дополнительных скважин между скважинами № 4 и 5. Поэто­ му при строительстве на элювиальных грунтах часто приходится углублять котлованы ниже проектной отметки, чтобы вынуть силь­ но выветрелые грунты и поставить фундаменты по всей длине сооружения на скалу.

Совершенно другой характер имеют геологические границы в морских и озерных отложениях (рис. 2.4, б). Они, как правило, близка по форме к горизонтальной плоскости. Здесь производителя

47

работ, который сверяет проектный геологический разрез с натурой, ожидает минимум неожиданностей.

Значение дашплг о геологическом строении основания для стро­ ительства. Из изложенного ясно, что. геологическое строение ос­ нования проектируемого сооружения может быть весьма сложным. Поскольку геологический разрез является основой для построения расчетной схемы взаимодействия сооружения и основания, следует стремиться с наибольшей точностью определять местоположение различных геологических тел и границ между ними. Не менее важны тщательное проведение опытов по определению физико-механичес­ ких характеристик грунтов и статистическая обработка результатов

испытания.

На разрезе обязательно должен быть нанесен уровень подзем­ ных вод. Эта геологическая граница наиболее склонна к изменению положения во времени, поэтому ее дают с указанием даты измере-

2.5. Грунты с неустойчивыми структурными связями

Среди грунтов, на которых возводятся сооружения, есть неско­ лько характерных типов особенных образований. Строительство на этих грунтах сопряжено со специальными мероприятиями, несоб­ людение которых часто приводит к авариям. К таким грунтам обычно относят мерзлые, вечномерзлые, лёссовые, набухающие, слабые водонасыщенные глинистые, засоленные, насыпные грунты, торфы и заторфованные грунты.

При всем различии условий природного образования и последу­ ющего изменения этим грунтам свойственна общая особенность — способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эк­ сплуатации сооружений воздействиях: при нагревании — для одних, увлажнении — для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии — для третьих типов грунтов. Это, в свою очередь, приводит также к резкому уменьшению прочности и несущей спо­ собности оснований, развитию недопустимых для сооружения дефо­ рмаций.

Причины указанных процессов заключаются в том, что струк­ турные связи в этих грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению при определенных воздействиях факторами. Поэтому такие грунты часто называют структурно-неустойчивы м и грун там и . Рассмотрим происхождение, состав, структурно-текс­ турные особенности, распространение и формы залегания структур­ но-неустойчивых грунтов. Методы строительства на структурно­ неустойчивых грунтах будут рассмотрены в гл. 15.

48

Мерзлые и вечномерзлые грунты. На всей территория России температура воздуха зимой опускается ниже О °С. В результате длительного воздействия отрицательной температуры происходит промерзание грунта с поверхности на некоторую глубину. В весен­ не-летнее время, с установлением положительной температуры воз­ духа, промерзший слой грунта оттаивает. В обширных районах Севера и Северо-Востока на территории, составляющей более поло­ вины страны, среднегодовая температура воздуха оказывается ниже 0°С. В теплое время года грунты здесь оттаивают на небольшую глубину (порядка 1...3 м), а ниже (до 30...500 м и более) находятся постоянно в мерзлом состоянии.

При температуре ниже 0 °С, как правило, грунты резко меняют свои свойства в связи с переходом части норовой воды в твердую фазу — лед.

Грунты всех видов относятся к мерзлым, если они имеют отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грун­ ты называют вечн ом ерзлы м и, если в условиях природного зале­ гания они находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаива­ ния) в течение многих (трех и более) лет.

Мерзлые и вечномерзлые грунты из-за наличия в них льдоце­ ментных связей при отрицательной температуре являются очень прочными и малодеформируемыми природными образованиями. Однако при повышении или понижении температуры (даже в об­ ласти отрицательных значений температуры) за счет оттаивания части льда или замерзания части поровой воды их свойства могут изменяться. При оттаивании порового льда структурные льдоце­ ментные связи лавинно разрушаются и возникают значительные деформации. Многие виды вечномерзлых грунтов, особенно силь­ нольдистые глинистые грунты, при этом могут переходить в раз­ жиженное состояние.

Строение верхних зон земной коры зависит от географо-клима­ тических условий района. На большей части европейской террито­ рии России (исключая северо-восточную оконечность Кольского полуострова), в Западной Сибири и Средней Азии толща грунта в зимнее время промерзает на некоторую глубину, а летом от­ таивает. Ниже расположен постоянно талый грунт. Попеременно замерзающий и оттаивающий слой грунта называют деятельным слоем (рис. 2.5, а). На Севере и в Восточной Сибири ниже деятель­ ного слоя располагается толща вечномерзлого грунта. В этом слу­ чае поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаива­ ющий летом, называют слоем сезонного оттаивания, если он зимой сливается с вечномерзлым грунтом (рис. 2.5, б), и сезонного промерзания, если между ним и кровлей вечной мерзлоты нахо­ дится слой талого грунта (рис. 2.5, в).

По В. А. Кудрявцеву, в зависимости от температурных условий область вечной мерзлоты разделяется на пять зон. В первой зоне

49