умк_Кремнев_Механика грунтов_ч

К основным континентальным отложениям относятся:

-элювиальные – залегающие на месте своего первоначального образования;

-делювиальные – перемещаемые под действием сил тяжести или водными потоками (не имеющими русла);

-аллювиальные – переносимые постоянными водными потоками на значительные расстояния;

-ледниковые – образовавшиеся в результате движения ледников в периоды оледенения;

-эоловые – отложения, переносимые ветром.

На рис. 2.2. схематично показаны типы отложений и возможные места их залегания.

Рис. 2.2. Континентальные отложения

На территории Республики Беларусь широко распространены ледниковые отложения, среди которых можно выделить следующие.

Моренные – представляющие собой глинистые грунты с примесью крупнообломочных частиц (валунов, гравия, крупных песчаных частиц).

Озерно-ледниковые – сформированные в период таяния ледника в виде слоистых глин, песков мелких и пылеватых, образовавшихся на дне внутренних озер и морей ледников.

21

Флювиогляциальные – песчаные грунты, галька, наносимые по окаймляющим ледник областям водными потоками во время таяния ледника.

Примеры озерно-ледниковых и флювиогляциальных отложений приведены на рис. 2.3, 2.4.

Эоловые отложения могут быть представлены двумя генетическими типами – эоловыми песками и пылеватыми (лессовидными) породами. Эоловые пески образуют характерные формы рельефа – песчаные гряды, барханы и др. Эти образования находятся в непрерывном движении и изменяются под действием ветра (рис. 2.5).

Если проанализировать типы континентальных грунтов по прочности, то можно сделать следующие выводы. Из четырех типов наиболее прочными являются элювиальные и моренные грунты, так как «упаковка» минеральных частиц в этом случае наиболее плотная. Следовательно, деформируемость будет минимальной, а прочность его будет в основном определяться прочностью минеральной части грунта. В то же время делювиальные грунты являются наименее прочными, так как их деформация может возникнуть даже под воздействием собственного веса.

Аллювиальные грунты, сформировавшиеся в водной среде, имеют меньшую пористость по сравнению с эоловыми (макропористыми) и поэтому в конечном счете деформируются меньше.

22

2.2.2. Свойства твердой фазы

Твердая фаза минеральных грунтов осадочного происхождения представляет собой частицы горных пород, которые отличаются:

-по минеральному составу;

-по размеру частиц.

Среди основных породообразующих минералов осадочных пород можно назвать полевой шпат, кварц, монтмориллонит, каолинит, иллит, атапульгит и др. Описание и свойства каждого минерала подробно изучаются в курсе «Инженерная геология».

На прочностные и деформационные свойства в наибольшей степени оказывают влияние размеры минеральных частиц грунта. По размеру минеральные частицы принято классифицировать следующим образом:

-валуны – ³ 200 мм;

-галька – 200 – 40 мм;

-гравий – 40 – 2 мм;

-песчаные частицы – 2 – 0,05 мм;

-пылеватые – 0,05 – 0,005 мм;

-глинистые частицы – £ 0,005 мм.

В природных условиях грунты представляют собой смесь частиц самых различных диаметров. Основным классифицирующим признаком дисперсных пород является гранулометрический состав грунта, показывающий, какой размер минеральных частиц преобладает в данной породе.

Гранулометрический состав – содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различного размера по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта.

Определение грансостава крупнообломочных грунтов выполняют методом разделения частиц по характерным диаметрам при помощи набора сит (рис. 2.6). При помощи сит определяются размеры фракций диаметром более 0,8 мм. Разделение пылеватых и глинистых частиц выполняют ареометрическим или пипеточным методами.

По гранулометрическому составу выделяют следующие подгруппы грунтов (в скобках указаны преобладающие размеры частиц и их процентное содержание по массе):

-валунный (> 200 мм > 50 %);

-галечниковый (> 10 мм > 50 %);

-гравийный (> 2 мм > 50 %);

-песок (> 2 мм < 50 % и >0,1 мм < 75 %);

-пылеватые грунты;

-глинистые грунты.

24

Эта кривая строится в полулогарифмических координатах, где на оси абсцисс откладываются десятичные логарифмы характерных диаметров фракций, а на оси ординат – процентное содержание по массе частиц диаметром меньше характерного диаметра (более подробно см. лабораторную работу № 1).

По кривой грансостава определяются величины d50, d95, d5 – диаметры, меньше которых в грунте соответственно 50 %, 95 % и 5 % по массе.

Максимальная степень неоднородности определяет из выражения

U max = d50 d95 .

d5

В зависимости от величины Umax грунты подразделяются:

-на однородные;

-на среднеоднородные;

-на неоднородные;

-повышенной неоднородности.

2.3.Свойства жидкой фазы грунта

2.3.1.Виды воды в грунте и ее свойства

2.3.1.1. Влияние жидкой фазы на свойства грунта

Жидкая фаза грунта представлена водой, которая покрывает минеральные частицы твердой фазы тонким слоем и заполняет поры грунта. При помощи простейших опытов можно показать, что количественное изменение воды в грунте при его увлажнение или высыхании существенно отражается на свойствах грунта (примеры: влажный песок и сухой песок, переувлажненная глина и сухая глина).

Такое влияние влажности на прочностные и деформационные свойства обусловливается:

-дисперсным характером грунтов;

-высокой удельной поверхностью минеральных частиц грунта (например, в глинах удельная поверхность достигает 800 м2/г).

Кроме того, влажность грунта не является постоянной величиной. Под воздействием различных факторов (при увлажнении, высушивании, механическом уплотнении и т. п.) она может значительно изменяться, и тем самым могут изменяться строительные свойства грунта. У минераль-

ных грунтов пределы изменения влажности могут составить от wmin= 0 до wmax= 0,5…1 и больше единиц. В органогенных грунтах (торф, ил, сапро-

пель) влажность может достигать 3…10 единиц.

26

2.3.1.2. Виды воды в грунте

При детальном исследовании жидкой фазы грунта было установлено, что вода может присутствовать в грунте в различном виде. Возникновение различных видов воды обусловливается особенностями молекулярного строения химического соединения H2O. Молекулы воды являются диполями, один конец диполя заряжен положительно, а другой – отрицательно (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Диполи воды

Минеральные зерна грунта в целом являются нейтрально заряженными частицами, но на их поверхности в очень тонком слое концентрируется, как правило, отрицательный заряд. Диполи воды, попадая в поле заряда поверхностного слоя частицы грунта, ориентируются согласно законам электромагнитного взаимодействия и притягиваются к частице.

В результате поверхность твердой частицы покрывается слоем молекул воды. Этот первый слой молекул воды, состоящий из упорядоченных

поверхности достигают 1000 МПа. По мере удаления от нее удельные силы взаимодействия быстро убывают и на некотором расстоянии уменьшаются до нуля (рис. 2.10).

27

За пределами действия электромолекулярных сил вода обладает свойствами, присущими ей в открытых сосудах, и ее молекулы не притягиваются к поверхности твердой частицы. Эту воду принято называть свободной (она свободна от сил взаимодействия с твердыми частицами). Свободной является гравитационная вода, перемещающаяся под действием силы тяжести или разности напоров, и капиллярная.

Толщина пленки связанной воды колеблется от одного ряда молекул до 3 – 5. Количество связанной воды определяется влажностью грунта и удельной поверхностью

частиц грунта. Чем выше удельная поверхность, тем больше воды находится в связанном состоянии. Поэтому при одинаковой влажности в глинах связанной воды во много раз больше, чем в песках.

По мере увеличения влажности грунта сначала происходит рост толщины пленки связанной воды, и лишь при достижении определенной влажности, называемой гигроскопической (Wg), в порах грунта появляется свободная вода. На рис. 2.11. схематично показано изменение толщины слоя связанной воды с ростом влажности грунта.

Рис. 2.11. Виды воды в грунте при различной влажности: 1 – абсолютно сухой грунт; 2 – воздушно-сухой грунт; 3 – грунт, насыщенный гигроскопической (прочносвязанной) водой; 4 – грунт в состоянии максимального насыщения молекулярно связанной водой; 5 – грунт, содержащий гравитационную свободную воду

28

2.3.1.3. Свойства связанной воды

Прочносвязанная вода

По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует вязкому твердому, а не жидкому телу:

-она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения. Такую воду можно отделить от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше

100 ° С;

-замерзает при температуре значительно ниже 0 ° С;

-имеет большую, чем свободная вода, плотность;

-обладает ползучестью.

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды.

2.3.1.4. Влияние связанной воды на свойства грунта

Наличие связанной воды в грунте оказывает существенное влияние на формирование свойств грунта. Это влияние тем существенней, чем выше удельная поверхность грунта. Наиболее существенное влияние связанная вода оказывает на свойства пылевато-глинистых грунтов.

Наличие между частицами глинистого грунта связанной (пленочной) воды определяет его пластичность. При этом чем толще пленка воды, тем выше пластичные свойства грунта, тем меньше прочность грунта, и наоборот. Уменьшение толщины пленки связанной воды приводит к изменению состояния грунта от почти жидкого до твердого.

Связанная вода определяет также связанность глинистых грунтов. Если толщина пленки связанной воды не слишком большая, между частицами грунта возникают силы молекулярного взаимодействия, обусловливающие развитие сил сцепления между частицами грунта. Поскольку связанность грунтов в значительной степени определяется наличием связанной воды, такие грунты обладают присущей этой воде ползучестью и, следовательно, силы сцепления между частицами будут вязкопластическими.

Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объема грунта, т. е. грунт набухает. Наоборот, при высыхании пылевато-

29

глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончения пленок воды и грунт получает усадку.

Связанная вода может полностью «закупорить» поры грунта, и поэтому движение свободной воды через такой грунт будет практически невозможным. Поэтому глинистые грунты и особенно глины являются фактически водонепроницаемыми (особенно перемятая глина).

Итак, связанная вода обусловливает следующие свойства грунта:

-пластичность;

-связанность;

-вязкопластичность;

-набухание и усадку;

-водонепроницаемость.

2.3.2. Структура и текстура грунтов

2.3.2.1. Взаимодействие между частицами твердой фазы

Между частицами возникают так называемые структурные связи, которые бывают двух видов:

-кристаллизационные (цементационные) – образуются в результате отложения поликристаллических соединений в точках контакта между частицами. Обладают высокой прочностью, но хрупкие, размягчаются водой и не восстанавливаются при их разрушении;

-водно-коллоидные – обусловливаются электромолекулярными силами взаимодействия частиц грунта, покрытых пленкой связанной воды.

Свойства кристаллизационных связей:

-обладают высокой прочностью;

-зачастую размягчаются водой;

-практически не восстанавливаются после разрушения (необратимые).

Свойства водно-коллоидных связей:

-вязко-пластичные;

-после разрушения связи легко восстанавливаются (обратимы).

2.3.2.2. Структура грунтов

Структура грунтов – это особенности строения грунтов, обусловленные размерами и формой частиц и характером их взаимодействия между собой.

30