- •«Национальный исследовательский томский политехнический университет» грунтоведение
- •Предисловие
- •Введение
- •1. История развития и задачи грунтоведения
- •2. Состав грунтов
- •2.1. Минеральная компонента грунтов
- •2.1.1. Типы связей, состав и свойства минерального вещества грунтов
- •2.1.1.1. Типы связей в твердых компонентах грунтов
- •2.1.1.2. Состав и свойства первичных силикатов
- •2.1.1.2.1. Состав, строение и свойства глинистых минералов
- •2.1.1.3. Состав и свойства простых солей
- •2.1.1.4. Состав и свойства сульфидов и металлических соединений
- •2.1.2. Классификационные показатели грунтов, содержащих минеральную компоненту
- •2.1.2.1. Классификационные показатели скальных грунтов
- •2.1.2.2. Классификационные показатели техногенных грунтов
- •2.1.2.3. Классификационные показатели дисперсных грунтов
- •2.1.2.4. Классификационные показатели элювиальных грунтов
- •2.1.3. Определение минералогического состава грунтов
- •2.1.4. Определение гранулометрического состава дисперсных грунтов
- •2.2. Органическая компонента грунтов
- •2.2.1. Распространение, состав и свойства органического вещества в грунтах
- •2.2.2. Классификационные показатели грунтов содержащих органическую компоненту
- •2.2.2.1. Классификационные показатели органоминеральных грунтов и их определение
- •2.2.2.2. Классификационные показатели органических грунтов и их определение
- •2.3. Ледяная компонента грунтов
- •2.3.1. Распространение, состав и свойства льда в грунтах
- •2.3.2. Классификационные показатели грунтов содержащих ледяную компоненту
- •2.3.3. Распространение, состав и свойства газогидратов
- •2.4. Жидкая компонента грунтов
- •2.4.1. Распространение, классификация, состав и свойства жидкой компоненты грунтов
- •2.5. Газовая компонента грунтов
- •2.5.1. Распространение, состав и свойства газовой компоненты грунта
- •2.5.2. Характеристики газовой компоненты грунта
- •2.6. Биотическая компонента грунтов
- •2.6.1. Распространение, состав биоты грунтов
- •2.6.2. Биологическая активность грунта и ее показатели
- •3. Требования к описанию, отбору, хранению, транспортировке и качеству образцов грунта
- •3.1. Требования к описанию образцов грунта
- •3.2. Требования к отбору, хранению, транспортировке и качеству образцов грунта
- •4. Физические свойства грунтов
- •4.1. Влажность грунтов
- •4.2. Консистенция грунта и ее характеристики
- •4.3. Плотность грунтов
- •4.4. Пористость грунтов
- •5. Гидрофизические свойства грунтов
- •5.1. Водопроницаемость грунтов
- •5.2. Водопрочность грунтов
- •5.2.1. Размокаемость грунтов
- •5.2.2. Размягчаемость грунтов
- •5.2.3. Размываемость грунтов
- •5.3. Набухание грунтов
- •5.4. Усадочность грунтов
- •5.5. Просадочность лессовых и лессовидных грунтов
- •6. Теплофизические свойства грунтов
- •6.1. Показатели теплофизических свойств грунтов
- •6.2. Пучинистые свойства грунтов
- •7. Химические свойства грунтов
- •7.1. Растворимость грунтов, ее основные характеристики и методы их определения
- •7.2. Агрессивность грунтов по отношению к бетону и металлам
- •7.2.1. Химическая и биологическая агрессивность грунтов по отношению к бетону
- •7.2.2. Коррозия металлических элементов подземных конструкций
- •7.2.2.1. Определения коррозионной активности грунтов по химическому составу водной вытяжки
- •7.2.2.2. Определение удельного электрического сопротивления грунта и средней плотности катодного тока
- •7.2.2.3. Определение коррозии металлов блуждающим током
- •7.2.2.3. Определение признаков биохимической коррозии
- •8. Физико-механические свойства грунтов
- •8.1. Основные понятия о напряжениях и деформациях в грунтах
- •8.2. Реологические свойства грунтов
- •8.3. Деформационные свойства грунтов и определение их показателей
- •8.3.1. Деформационные свойства грунтов
- •8.3.2. Определение характеристик деформируемости при компрессионных испытаниях дисперсных грунтов
- •8.3.2.1. Определение показателей деформации просадочных грунтов
- •8.3.2.2. Определение характеристик деформации набухающих грунтов
- •8.3.2.3. Определение характеристик деформации засоленных грунтов
- •8.3.2.4. Определение характеристик деформации мерзлых грунтов
- •8.3.3. Определение характеристик консолидации грунтов
- •8.4. Прочностные свойства грунтов и определение их показателей
- •8.4.1. Сопротивление грунтов сдвигу
- •8.4.1.1. Определение показателей прочности на сдвиг дисперсных грунтов
- •8.4.1.2. Определение показателей прочности на сдвиг мерзлых грунтов
- •8.4.1.3. Определения показателей прочности скального грунта при срезе со сжатием
- •8.4.2. Определение угла естественного откоса грунтов
- •8.4.3. Сопротивление грунтов одноосному растяжению
- •Временное сопротивление разрыву скальных грунтов [50]
- •8.4.4. Сопротивление грунтов изгибу
- •8.5. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом одноосного сжатия
- •8.5.1. Определение показателей прочности и деформируемости связных и полускальных грунтов
- •8.5.2. Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов
- •8.5.3. Определение показателей прочности и деформируемости мерзлых грунтов
- •8.6. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом трехосного сжатия
- •8.6.1. Определение показателей прочности и деформируемости дисперсных грунтов
- •8.6.2. Определение показателей прочности и деформируемости скальных грунтов
- •8.7. Определение показателей твердости, крепости, выветрелости и истираемости грунтов
- •8.8. Особенности определения параметров физико-механических свойств переуплотненных грунтов
- •8.9. Динамические свойства грунтов
- •8.9.1. Определение показателей динамических свойств грунтов
- •8.9.2. Разжижение грунтов
- •9. Классификации грунтов
- •9.1. Виды классификаций грунтов в инженерной геологии
- •9.2. Общая классификация грунтов
- •Список литературы
- •8.5. Определение показателей прочности и деформируемости грунтов методом одноосного сжатия 393
5.2. Водопрочность грунтов
Водопрочностью (или водоустойчивостью) грунтов называют их способность сохранять свою механическую прочность и устойчивость в водной среде. В водопрочности грунтов проявляются как их физико-химические, так и физико-механические особенности. Условия взаимодействия грунта с водой могут быть статическими (спокойная вода) или динамическими (движущийся поток воды). В первом случае результатом этого взаимодействия в дисперсных грунтах является их размокание, в скальных грунтах – их размягчение, во втором случае – размыв грунтов. В соответствии с этим водопрочность грунтов характеризуют по их размокаемости, размягчаемости и размываемости.
5.2.1. Размокаемость грунтов
Размокаемостью называется способность грунтов при замачивании в спокойной воде терять свою связность и превращаться в рыхлую массу с полной потерей прочности. Размокание грунтов происходит в результате постепенного ослабления неводостойких структурных связей между элементарными частицами или агрегатами грунта в процессе их гидратации. Способностью к размоканию обладают дисперсные грунты, а также слабосцементированные осадочные и искусственные грунты с растворимым, неводостойким или глинистым цементом.
Показателями размокаемости грунтов являются [50]:
1) время размокания (tp) – интервал времени, в течение которого образец грунта, помешенный в воду, теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера;
2) скорость размокания (vр), оцениваемая по относительной потере массы Δm/m0 образца за время Δt, где m0 – начальная масса образца;
Условные
обозначения:
1 –
корпус;
2 –
стрелка;
3 –
шкала;
4 –
сетка;
5 – рычаг; 6
– противовес
Рис. 5.7. Прибор
для определения размокаемости грунта
[143]
Определение показателей размокаемости. Размокание грунта определяют на образцах с ненарушенной и нарушенной структурой при помощи прибора ПРГ (рис. 5.7). Для определения размокания грунта ненарушенной структуры грунтоотборником из монолита грунта вырезают цилиндры диаметром и высотой 30 мм (или кубики 30х30х30 мм). Одновременно из исследуемого грунта отбирают пробу для определения его начальной влажности.
При определении размокания грунта нарушенной структуры высушенный на воздухе грунт размельчают и просеивают через сито с сеткой № 05. Просеянный грунт заливают водой и приготавливают тесто такой консистенции, при которой оно не прилипает к рукам при раскатывании. Из приготовленного теста грунтоотборником вырезают образцы так же, как из монолита грунта.
Кубик или цилиндр устанавливают на сетку с отверстиями в 1 см, которая подвешена в сосуде с водой (дистиллированной или водой с точки отбора образца). Помещенные в воду образцы начинают размокать. При описании характера размокания образца приводят описание формы, размеры частиц (крупные, мелкие комочки, чешуйки, пыль), последовательность их распада. Записи в журнале делают в следующие промежутки времени: 1, 30 мин, 1, 6, 24 и 48 ч, применяя термины из табл. 5.4 и 5.5.
Таблица 5.4
Описание поведения помешенного в воду образца грунта
Термин |
Описание грунта после 24 ч размокания в воде |
Степень |
Устойчивый |
Изменений нет |
1 |
Достаточно устойчивый |
Образовалось несколько трещин или поверхность образца слегка крошится |
2 |
Образовалось много трещин, крошится на мелкие куски, поверхность образца сильно крошится |
2 |
|
Неустойчивый |
Образец распадается или почти вся поверхность образца крошится |
4 |
Образец переходит в суспензию или распадается до песка |
5 |
Таблица 5.5
Критерии размокания грунта
Время размокания образца |
Характер размокания |
Полностью за 1 мин |
Мгновенное |
Более 80–90 % объема за 30 мин |
Очень быстрое |
Более 50 % объема за 1 ч |
Быстрое |
Более 50 % объема за 6 ч |
Медленное |
Менее 25 % объема за 24 ч |
Очень медленное |
Менее 10 % объема за 48 ч |
Практически неразмокающий грунт |
Процент распада грунта в любой момент времени рассчитывается по формуле:
где Р – распад грунта, %; Н – начальная числовая отметка; Нр – числовая отметка в процессе размокания.
Опыт считается законченным, если образец размокнет и провалится через сетку на дно сосуда или долгое время будет сохранять свое состояние без изменений. Если образец не размокнет через 48 ч, проводится его описание и испытание прекращают. Некоторые слабые породы не распадаются сразу после извлечения из воды, а только после высушивания.
Величина показателя размокаемости в грунтах зависит от их химико-минерального состава (минералогии частиц, наличия водорастворимых солей, состава обменных катионов), структурно-текстурных особенностей (характера структурных связей, дисперсности, текстуры и др.), влажности-плотности, состава и концентрации взаимодействующего с грунтом водного раствора.
Состав грунтов определяет их структурные особенности, характер структурных связей и, следовательно, влияет на размокание. При этом большое влияние на характер и скорость размокания оказывают содержащиеся в грунтах естественные цементы, например водорастворимые соли, карбонаты, гипс, гумус и др. Растворение солей на контактах частиц приводит к распаду агрегатов и размоканию грунтов.
Размокаемость также зависит от состава и характера сложения грунтов. Большинство скальных грунтов является практически неразмокаемыми и только размягчаются при насыщении водой. На скорость и характер размокания дисперсных грунтов большое влияние оказывает гранулометрический состав, в значительной степени определяющий характер их пористости и, следовательно, их водопроницаемость. Макропористые, легко водопроницаемые и обладающие обычно слабым структурным сцеплением грунты имеют большую скорость размокания. Наоборот, тонко пористые, мало водопроницаемые и плотные грунты с повышенной величиной структурного сцепления отличаются большой водопрочностью и медленным размоканием. Наличие в грунтах макро- и микротрещин способствует их размоканию. Грунты с нарушенным сложением характеризуются гораздо большей скоростью размокания по сравнению с породами ненарушенной структуры, поскольку первые отличаются от вторых меньшей связностью.
Сухие грунты или грунты с незначительной влажностью, как правило, размокают значительно быстрее, чем недонасыщенные разности. Согласно В.А. Приклонскому, для каждого типа глин характерна некоторая «критическая» влажность, по которой можно судить о его водопрочности. Если влажность глины ниже критической, то грунт размокает; грунт с более высокой влажностью (выше критической) практически не размокает. Величина критической влажности грунтов возрастает пропорционально росту их емкости обмена (у монтмориллонитоной глины она около 50 %, у каолинитовой – около 25 %). Это объясняется тем, что, с одной стороны, связанная вода, заполняющая тонкие поры при малой влажности, препятствует быстрому проникновению новых порций воды. С другой стороны, капиллярная вода при малой влажности глин также способствует их капиллярной связности, которая постепенно исчезает при полном водонасыщении.
Определенное влияние на размокание оказывает и защемленный воздух в порах грунта. При быстрой гидратации грунта значительная часть воздуха оказывается защемленной в порах впитываемой водой. Если давление сжатого воздуха в порах превышает прочность контактов на разрыв, то сжатый воздух разрушает грунт и пузырьки выходят наружу. Именно такой процесс характерен для размокания лёссов и лессовидных грунтов. Таким образом, при постепенной гидратации и водонасыщенности грунты проявляют большую водопрочность, чем при быстром развитии этих процессов, поскольку в последнем случае образуется больше защемленного воздуха в порах [50].