Раздел III. Основы грунтоведения

10. Состав и физические свойства грунтов

Грунт - это горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную гео­логическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйствен­ной деятельности человека.

Грунты могут служить:

1) материалом оснований зданий и сооружений;

2) средой для размещения в них сооружений;

3) материалом самого сооружения.

Таким образом, в понятие «грунты» входят все рассмотренные типы горных пород, а также искусственные слои.

Наибольшие сложности для наземного строительства возника­ют в дисперсных грунтах, поэтому им уделяется наибольшее внима­ние. При проходке тоннелей проблемы устойчивости возникают как в дисперсных, так и в трещиноватых скальных грунтах.

10.1. Фазовый состав грунтов

Песчано-глинистые грунты осадочного происхождения, с кото­рыми чаще всего приходится иметь дело при строительстве, пред­ставляют собой дисперсную многофазовую систему. Комплекс твер­дых минеральных частиц грунта составляет твердую фазу грунта и на­зывается скелетом грунта. Пустоты между частицами минерального скелета - поры - могут быть заполнены полностью или частично во­дой и льдом.

Грунт, поры которого заполнены только воздухом, называется однофазным, так как воздух в силу своей низкой вязкости при сжа­тии грунта легко выходит из пор и не оказывает на работу скелета сколько-нибудь существенного влияния. Грунт с полностью запол­ненными водой порами называется двухфазным, а если в порах при­сутствуют вода и газ (воздух) - трехфазным. В последнем случае вода будет запирать в порах грунта мелкие пузырьки воздуха и он будет принимать полноценное участие в работе грунта под нагрузкой. Грун­ты ниже уровня подземных вод находятся в двухфазном состоянии, а

42

в зоне аэрации могут быть в однофазном (аридные климатические зоны), но, чаще - в трехфазном состоянии.

В поровом пространстве мерзлого грунта, кроме перечисленных фаз может присутствовать твердое вещество со специфическими свой­ствами - лед. Такой грунт называют четырехфазным.

10.2. Вещественный состав грунтов

Твердая фаза дисперсных грунтов состоит из минеральной и орга­нической частей. Минеральная часть представлена первичными ми­нералами, которые перешли в состав грунта из первичной материнс­кой породы, и вторичными, образовавшимися в ходе последующих физико-химических процессов. В числе первичных минералов в наи­большей степени представлен кварц, наиболее устойчивый против разрушения агентами выветривания. Присутствуют обломки полевых шпатов, слюды. Вторичные минералы представлены глинистыми минералами, гидроокислами железа, алюминия, кремния; могут присутствовать гипс, хлориды, кальцит и другие минералы. На стро­ительные свойства грунтов наибольшее влияние оказывает присут­ствие глинистых и растворимых (гипс, галит) минералов.

Органические минералы - торф и гумус - могут присутствовать в виде примесей в минеральных грунтах или слагать самостоятель­ные слои. Присутствие органических веществ придает грунтам по­вышенную влагоемкость и пластичность, набухаемость и низкую водопроницаемость.

10.3. Гранулометрический состав грунтов

Дисперсный грунт состоит из обломков различного размера. Масса обломков различной крупности обладает существенно различ­ными свойствами и в составе грунта передает в той или иной степени эти свойства. Сведения о гранулометрическом составе грунта позво­ляют в значительной степени прогнозировать его поведение под раз­личными нагрузками.

Частицы, близкие по размеру и свойствам, объединяют в груп­пы, называемые фракциями. Количественное содержание фракций и характеризует гранулометрический состав грунта. Выделяются сле­дующие фракции (таблица):

42

Фракция	Диаметр частиц, мм
Валунно-глыбовая	Более 200
Галечниково-щебенистая	200-40
1 равийно-дресвяная:
крупная	40-20
средняя	КМ
мелкая	4-2
Песчаная:
крупная	2-0,5
средняя	0,5-0,2
мелкая	0,2 -0,05
Пылеватая	0,05-0,005
Глинистая:
крупная	0,005-0,001
тонкая	Менее 0,001

При лабораторном исследовании грунтов песчаные и более круп­ные фракции разделяют ситовым методом. Для определения содер­жания пылеватых и глинистых фракций существует несколько мето­дов, основанных на различной скорости оседания частиц различной крупности в воде.

Как уже отмечалось при рассмотрении обломочных осадочных пород, содержание глинистых частиц в песчано-глинистом грунте определяет его название: глина, суглинок, супесь. Если количество пылеватых частиц в грунте превышает содержание глинистых, то грунт называют пылеватым (например, «пылеватый суглинок»). При­сутствие в составе грунта крупных фракций добавляет к его назва­нию соответствующий эпитет (например, «валунная глина»).

Гранулометрический состав может быть изображен графически в виде кумулятивной кривой (рис. 45). Ордината каждой точки этой кривой определяет суммарное содержание частиц в грунте, размер которых меньше величины, соответствующей абсциссе точки (абс­цисса пропорциональна десятичному логарифму размера частиц, выраженному в микрометрах). Верхняя граница (диаметр) частиц, содержание которых в грунте составляет 10 %, называется действу­ющим диаметром d]0 (на рис. 45 d]Q - 0,02 мм). Аналогичный показа­тель для частиц, доля которых в грунте составляет 60 %, называется контролирующим диаметром d (на рис. 45 d60 = 0,17 мм). Со­отношение d /d]0 - коэффициент неоднородности грунта.

43

Наименьшей пористостью будут обладать грунты, состоящие из различных фракций, в которых пустоты между более крупными час­тицами заполняют более мелкие частицы. Максимальная плотность укладки твердых частиц скелета возможна в смесях, состоящих из частиц с соотношением диаметров 7:1. Более плотному сложению скелета соответствует меньшая сжимаемость грунта.

10.4. Вода в грунтах

Характер взаимодействия твердой и жидкой фаз грунта определяющим образом влияет на его механические свойства. Взаи­модействие фаз происходит по границам их раздела, то есть по по­верхности частиц скелета. Суммарная площадь поверхности глинис­тых частиц общим объемом 1 см3 составляет около 10 м2, а у песка аналогичный показатель составит величину порядка 0,01 м2. Это боль­шое различие определяет и различную роль воды в грубозернистых и глинистых грунтах.

Вода в грунтах может присутствовать в химически связанном, парообразном, жидком и твердом состояниях.

Химически связанная вода в составе, например, кристаллов гип­са, каолинита, удаляется только при обжиге, а при обычных услови­ях никакого участия в работе грунта не принимает.

Парообразная вода в зоне аэрации образуется как за счет испаре

43

ния жидкой воды грунта, так и за счет всасывания атмосферного воз­духа при перепадах температур. Она также существенного влияния на механические свойства грунта не оказывает.

Лед в грунте прочно цементирует зерна скелета, однако при оттаи­вании льда эти цементирующие связи полностью исчезают, а свой­ства грунта определяются уже взаимодействием скелета с жидкой водой.

Жидкая вода в грунтах присутствует в грунте в связанном и свободном виде. Свойства свободной воды в виде капиллярной и гра­витационной воды рассматривались ранее.

Связанная вода в грунтах присутствует в двух видах: прочно- и рыхлосвязанная.

Валентные связи ионов на поверхности твердой частицы являют­ся свободными, неуравновешенными, вследствие чего поверхность минеральных частиц в грунте имеет отрицательный электрический заряд. Молекулы воды, обладающие свойством электрического дипо­ля, под воздействием электрического поля поверхностного слоя твер­дой частицы ориентируются определенным образом и притягиваются к ее поверхности. 15-20 слоев молекул воды оказываются этими элек­трическими силами очень прочно привязаны к поверхности, и эту часть связанной воды называют прочносвязанной или гигроскопической. Силы притяжения здесь настолько велики, что при нормальной темпе­ратуре гигроскопическая влага не испаряется, а напротив, пополняет­ся за счет конденсации молекул воды из воздуха. Температура замерза­ния гигроскопической влаги существенно ниже нуля градусов, в ней не растворяются соли. Гигроскопическая влага удаляется из фунта только ггугем просушивания при температуре не менее 105°. Предель­ное содержание гигроскопической влаги называется гигроскопической влажностью; оно изменяется от 0,002-0,003 в песке до 0,15 и более в глине. Гигроскопическая влага обладает определенной механической прочностью и при строительных нагрузках из грунтов не отжимается.

Поверх слоя гигроскопической влаги еще до ста слоев молекул воды могут удержаться электрическими силами поверхности твер­дой частицы. Этот слой называют рыхлосвязанной или пленочной водой. Замерзает пленочная вода при температуре -3...—4Р, не выте­кает из грунта под собственным весом, но способна перемещаться в

44

грунте (мигрировать) от более толстых пленок к более тонким, пере­мещаться под действием электрических полей.

Толщина пленок рыхлосвязанной воды зависит от механическо­го давления на грунт: при увеличении внешнего давления часть по-ровой влаги отжимается, а при разгрузке грунта от внешнего механи­ческого давления (или при замачивании недоувлажненной глины) электрические силы подсасывают дополнительную воду и грунт на­бухает. Максимальная пленочная (молекулярная) влажность изменя­ется от (0,7-0,8)-10"2 в песках до 1,3 и более в глинах монтморилло-нитового состава.

Тонкая пленка связанной воды вокруг песчаной или более круп­ной частицы не может изменить свойств массы, состоящей из таких частиц. В то же время у частиц размером менее 0,5 мкм вес будет соизмерим с силами их взаимодействия с окружающей средой, и обволакивающие их пленки воды будут придавать частицам новые коллоидные свойства. Такие частицы в воде обладают броуновским движением.

Слой связанной воды, окружающей твердую частицу, который имеет на внутренней поверхности положительный электрический заряд, а на внешней - отрицательный заряд, называют двойным элек­трическим слоем. Коллоидную частицу со связанной водой называ­ют мицеллой.

Силы поверхностного натяжения свободной воды обеспечивают капиллярные явления в грунтах: капиллярный подъем воды в зоне аэрации над уровнем подземных вод, капиллярную связность в дис­персных грунтах. Хорошо известен факт, что бессвязный сухой пе­сок при увлажнении приобретает определенную связность и спосо­бен стоять в вертикальном откосе высотой до 0,3-0,4 м. Объясняется это тем, что в трехфазном грунте силы поверхностного натяжения межзеренной воды стягивают между собой частицы, производят так называемое капиллярное обжатие, благодаря которому между части­цами возникают силы трения, препятствующие их взаимному сдви­гу. Дальнейшее увлажнение приводит к уменьшению площади сво­бодной поверхности внутригрунтовой воды, на которой развиваются силы поверхностного натяжения, и снижению сил капиллярного об­жатия.

44

Влажность грунта, при которой развивается наибольшее ка­пиллярное обжатие и может быть достигнута (путем дополнитель­ного механического уплотнения) максимальная плотность, называ­ется оптимальной влажностью.

Подъем капиллярной воды и ее испарение на поверхности в арид­ных районах с минерализованными грунтовыми водами приводят к засолению верхних слоев грунта. Капиллярные воды зоны аэрации обеспечивают гниение заглубленных деревянных частей зданий, от­сыревание негидроизолированных кирпичных и бетонных стен. Ка­пиллярными явлениями обусловлено морозное пучение грунтов.

10.5. Показатели физических свойств грунтов

Удельным весом грунта у называется вес единицы объема грун­та. Удельный вес определяется взвешиванием и измерением объема образца грунта. Частное от деления этих величин дает искомый по­казатель.

Удельный вес дисперсных грунтов обычно находится в пределах 16-19 кН/м3, увеличиваясь у грунтов плотного сложения до 21 кН/м3.

Удельный вес сухого грунта yd - это вес единицы объема высу­шенного грунта с естественной пористостью.

Удельный вес твердых частиц грунта у - это вес единицы объе­ма вещества скелета. У минеральных грунтов ys= 26-27 кН/м3.

Пористостью грунта п называется суммарный объем пор в еди­нице объема фунта; в соответствии с международным стандартом по­ристость выражается в долях единицы и составляет у песков 0,25-0,30, у глин - 0,6-0,7.

11. Инженерно-геологическая классификация грунтов

Классификация грунтов используется: а) для предварительной оценки строительных свойств грунтов; б) составления инженерно-геологических карт; в) выбора методов улучшения свойств грунтов; г) выбора методов детального изучения свойств грунтов.

Действующая инженерно-геологическая классификация ГОСТ 25100-95 разделяет грунты по общему характеру структурных связей на четыре класса, в том числе три класса природных грунтов:

45

скальные, дисперсные, мерзлые; 4-й класс - техногенные грунты. Классы грунтов подразделяются на группы (по прочности структур­ных связей), подгруппы (по происхождению), типы (по вещественно­му составу) и конкретные виды (по наименованию грунтов). В сокра­щенном виде классификация ГОСТ 25100-95 приведена в таблице.

Классы	Группы	Подгруппы	Типы и виды
1	2	3	4
Скальные грунты (с жесткими структурными связями)	Скальные грунты	Магматические породы	Граниты, базальты и др.
		Метаморфические породы	Силикатные (гнейсы, сланцы, кварциты); карбонатные (мраморы и др.)
		Осадочные породы	Силикатные (песчаники, конгломераты и др.); карбонатные (известняки и др.)
	Полускальные грунты	Магматические эффузивные породы	Вулканические туфы
		Осадочные породы	Силикатные (аргиллиты, алевролиты и др.); карбонатные (мел, мергели); сульфатные (гипсы и др.)
Дисперсные грунты (с ме­ханическими и водно-коллоидными связями)	Связные грунты	Осадочные породы	Минеральные (глинистые); органоминеральные (илы, заторфованные земли и др.); органические (торф)
	Несвязные грунты	Осадочные породы	Силикатные, карбонатные полиминералы ibie (пески, круинообломочные грунты)
Мерзлые грунты (с криогенными структурными связями)	Скальные и полускальные фунты	Промерзшие магматические, метаморфические и осадочные породы	Те же, что и для скальпы? грунтов
	Связные грунты	Промерзшие осадочные породы	Те же, что и для дисперсных фунтов

46

Окончание таблицы

1	2	3	4
1 схногснныс грунты (с различными структурными связями)	Скальные и полускальные грунты	Природные породы, измененные физическим или химическим воздействием	Граниты, известняки и др.
	Дисперсные связные	То же	Раздробленные скальные и дисперсные породы
	Дисперсные несвязные	Перемешенные грунты	Насыпные, намывные грунты
		Антропогенные образования	Шлаки, золы, городские свалки

11.1. Скальные грунты

Группа скальных грунтов охватывает магматические, метамор­фические, и осадочные породы в кристаллически-связном состоянии. Характерные скальные грунты: граниты, известняки, песчаники. Высокие прочностные свойства этих грунтов обусловлены существо­ванием кристстлических связей (уютш^^жшЛёЩЩ'Х^ внутри и по границам зерен. Скальные грунты при строительных нагрузках прак­тически несжимаемы, водоустойчивы, водопроницаемы только по трещинам, прочность образтдевЯабораторного размеражожет-доети-гать_250-300 Ml la.

Кристаллические связи при разрушении не восстанавливаются, поэтому скальные грунты после нагружения до предела прочности разрушаются и превращаются в трещиноватую или раздробленную массу с резко пониженными прочностными свойствами.

Все скальные массивы в ходе геологической истории подверга­лись воздействию тектонических или температурных напряжений и вследствие этого пронизаны трещинами. Выделяют два вида трещин: трещины отдельности и тектонические трещины.

Трещины отдельности формируются одновременно с образова­нием породы. Так, при остывании крупного магматического тела вследствие охлаждения его поверхности и продолжающегося подпо­ра магмы снизу образуется сеть трещин, как перпендикулярных, так

47

и параллельных поверхности тела, разбивающих его на блоки разме­ром до нескольких метров. В центральных частях магматических тел возможны большие нетрещиноватые блоки, из которых, например, вырублены колонны Исаакиевского собора в Петербурге. В осадоч­ных породах трещины отдельности параллельны и перпендикуляр­ны наслоению.

Тектоническая трещиноватость образуется уже после формиро­вания породы под действием тектонических сил. При одноосном сжатии поверхностных частей скальных массивов образуются раз­рывные трещины, параллельные направлению сжатия, с шерохова­тыми неровными стенками (рис. 46, а). При неравномерном всесто­роннем сжатии образуются трещины сдвига, имеющие явные при­знаки проскальзывания, местами притертые до глянца (зеркала сколь­жения - рис. 46, б). При смятии в складки толщи осадочных пород (рис. 46, в) образуются поверхности межслоевых и внутрислоевых проскальзываний и кососекущие трещины (кливаж). Зона интенсив ной трещиноватости, где порода может быть измельчена до щебня даже перетерта в процессе тектонического сдвига до глины, называ­ется зоной дробления.

a I jr б f T

Рис. 46. Тектонические трещины: a - разрывные; 6 - сдвиговые; в - кливаж

Трещины отдельности снижают прочность скального массива 3-5 раз по сравнению с прочностью малого образца. В плоскост. зеркал скольжения сцепление может снижаться до нуля. Трещины массиве группируются вокруг нескольких преимущественных иапра лений. Такие ipyniibi трещин называют системами трещин, обычно массиве имеется 3-5 систем трещин,.Наличие определенной систе­матичности в расположении трещин обусловливает неоднородность прочностных свойств-с'кальных массивов по различным направлени­ям - анизотропию.

Интенсивность трещиноватости характеризуется средним расстоя­нием между трсщгптми] при расстоянии более 1 м порода малотрещи­новата, 0,2-1 м - среднетрещиновата, менее 0,1 м - сильнотрещиновата.

При разведочном бурении выявление истинной густоты трещин по керновому материалу затруднительно вследствие дополнительных изломов керна. В этом случае характерным показателем оказывается выход керна, то есть отношение суммарной длины кусков кернового материала к длине пробуренного участка скважины. Поскольку часть кернового материала на контактах отдельных KycjjOB истирается, а мелкодробленый материал вообще выносится^до этот показатель всегда меньше единицы. Если выход керназ5блее 0,9, то проходка тоннеля на этом участке скорее всего не пеггребует никакого крепле­ния или потребует крепления легких тагюв; если выход керна 0,6-0,7, то применение тяжелых видов крепи будет, по-видимому, необходи­мым. При выходе керна менее/}р проходка тоннеля обычными мето­дами может оказаться невозможной.

В зарубежной практике получил распространение показатель ка­чества керна RQD, представляющий собой долю кернового материа­ла, представленную кусками длиннее 15 см. Устойчивость массива с по­казателем RQD более 75 % ечнтеиггел-чшеокой, при RQD - 50-75 % -средней, 25-50 % - ниже-средней, а при RQD < 25 % массив считает­ся неустойчивым.

Зонам повышенной трещиноватости обычно сопутствует и по­вышенная степень выветрелости, в еще большей степени снижаю­щая прочность пород.

11.2. Полускальные грунты

К этой группе относятся сильнотрещиноватые и выветрелые скальные породы, вулканические туфы, гипс, ангидрит, алевролиты, мел, песчаники с глинистым цементом. К полускальным Грунтам от­носят породы с прочностью менее 5 МПа. Это довольно большая ве­личина, но прочность - не главная характеристикаполуокальныхтрун-

48

сновное их свойство - пониженная устойчивость против воды и агентов выветривания. Соотношение прочности врдонасыщенного и сухого образца полускальцо'й породы называется коэффициентом размягчаемое™ К. Грунты р К> 0,9 считаются неразмягчающимися, а с К <уЛЪ- сильноразмягчающимися.

Связность полускальных грунтов обусловлена преимуществен­но цементационными связями. Повышенная пористость и влагоем-кость ведут к размораживаемости, то есть к снижению прочностных свойств после одного или нескольких циклов замерзания и оттаива­ния водонасыщенного образца. Многиепороды из группы полускаль­ных грунтов (алевролиты, аргиллиты) реагируют на высыхание. Ан­гидрит при замачивании сильно увеличивается в объеме, гипс раство­ряется проточными водами.

Модули деформаций полускальных фунтов на 1-2 порядка ниже, чем у скальных, но превышают 100 МПа, что позволяет их рассмат­ривать для поверхностного строительства как несжимаемое основа­ние. При проходке тоннелей в полускальных породах применение креплений становитея необходимым во всех случаях: либо для под­держания свода, лжю для предохранения от выветривания.

При быстром приложении нагрузки многие полускальные поро­ды могут вести себя как упругие, хрупкие, тела, а при длительном приложении нагрузки накапливать большие вязкопластические де­формации (каменная соль, аргиллит и др.).

По пределу прочности на одноосное сжатие Rc в водонасыщен-ном состоянии скальные и полускальные грунты подразделяют со­гласно таблице.

Разновидность фунтов	Предел прочности на одноосное сжатие МПа
Очень прочный	>120
Прочный	120-50
Средней прочности	50-15
Малопрочный /	15-5
Пониженной прочности	5-3
Низкой проч.^юти	3-1
Очень низкой прочности	<1

48

В горном деле и тоннелестроении для характеристики прочнос­ти грунтов используется коэффициент крепости/, численно равный прочности-На сжатие (в МПа), деленной на.10. Коэффициент крепос­ти носит имя своего~автора - проф. М. М. Протодьяконова.

11.3. Крупнообломочные грунты

К этой группе относятся несцементированные залежи обломков (щебень, галечник, дресва, гравий), содержащие более 50 % по весу обломков размером более 2 мм.. Наибольшую прочность имеют об­ломки магматических пород, меньшую - обломки осадочных пород. Укладка обломков может быть рыхлая и плотная. Наибольшую плот­ность имеют крупнообломочные грунты, неоднородные по грануло­метрическому составу.

Строительные свойства крупнообломочных грунтов благоприят­ные: они малосжимаемы, хорошо фильтруют воду.

11.4. Песчаные грунты

Это сыпучие в сухом состоянии грунты, не обладающие свой­ствам пластичности и содержащие более 50 % обломков по весу раз­мером менее 2 мм. К ним относятся различные по крупности пески различного происхождения: эоловые, аллювиальные, водно-ледни­ковые. При увлажнении песчаные грунты за счет капиллярных сил приобретают некоторую связность и способны держать вертикаль­ный откос высотой 30-40 см, однако при полном водонасыщении вновь превращаются в бессвязную массу.

Песчаный грунт может иметь различную плотность в диапазоне от некоторой митгнмальной величины, соответствующей самой рыхлой ук-ладке^ерен, до максимальной величины, соответствующей самой плот­ной возможной'упаковке. Степень уплотненности характеризуется пори­стостью п: песок с п > 0,41 считается рыхлым, с п < 0,36 - плотным.

Плотный песок является хорошим основанием для поверхност­ных сооружений. Частицы песка, так же как и более крупные облом­ки, непосредственно контактируют друг с другом; под нагрузкой от­жим воды из песчаного грунта невелик и вследствие большого коэф­фициента фильтрации происходит быстро, уплотнение грунта малое (1-2 %) и происходит практически мгновенно.

49

Зерна водонасыщенного рыхлого песка под кратковременными динамическим илии^ибрационным воздействием мо^ут в укладке слег­ка развернутьс>Ки утратить контакт друг с другом. Грунт превраща­ется на какое-то время во взяёсь песчаных частиц в воде и способен растекаться. Мелкозернистые пески с повышенным содержанием пылеватых частиц и коллоидного материала плохо отдают воду и об­ладают текучестью даже в отсутствие динамических воздействий. Такие грунты называют плывунами.

11.5. Глинистые грунты 11.5.1. Природа связности глинистых грунтов

Свойства глинистых грунтов определяются свойствами глинис­той фракции, которая в силу своей тонкодисперсной структуры ак­тивно взаимодействует с водой. Особенно важным показателем гли­нистого грунта является содержание в нем монтмориллонита - само­го активного глинистою минерала.

Микроскопические чешуйчатые крис­таллы глинистых минералов обладают свое­образной особенностью: 0азальные плос­кости чешуек несут на своей поверхности отрицательный электрический заряд, а ско-ловые поверхности -положительный заряд (рис. 47). Поверхно/т и с противоположны­ми электрическими зарядами притягивают­ся друг к другу, иг наличие в глинистой мас­се контактов типа «базис - скол» обеспечи­вает ей определенную связность. Как уже отмечалось ранее, электрический заряд гли­нистых частиц удерживает на их поверхности довольно толстые плен­ки воды. Чем больше пленочной воды в грунте, тем меньше в нем контактов «базис - скол», тем меньше связность глинистого грунта.

Существенную роль в механизме связности глинистых грунтов играют ионы щелочных металлов, присутствующие в поровой воде. Эти ионы благодаря своему электрическому заряду также притягива­ют к себе молекулы воды и связывают определенную часть поровой влаги. Такой переход свободной воды в связанное состояние способ­

Рис. 47. Связь «базис - скол»

49

ствует упрочнению грунта. Большей способностью связывать воду обладают двухвалентные ионы кальция и магния, меньшей - однова­лентные ионы натрия и калия. В силу этого при одинаковой влажно­сти глины содержащие в поровой воде ионы кальция или магния бу­дут обладать наибольшей связностью, меньшей - глины с ионами натрия или калия и наименьшей — глины, не содержащие ионов

Ионы в прровой воде довольно активно мигрируют от зон боль­шей концентрации к зонам меньшей концентрации, поэтому при по­мещении образца глины, содержащего ионы, в чистую воду концент­рация ионов в поровой воде образца будет постепенно снижаться, со­провождаясь снижением связности глины. Явление миграции ионов называется осмос. Во многих районах Норвегии и Швеции, подняв­шихся из-под поверхности миря в послеледниковое время, на поверх­ности залегают слои молодых морских глин, содержащих в поровой воде со времени своего образования ионы натрия и в меньшем количе­стве-других щелочных металлов. Атмосферные воды вымывают эти ионы, глины постепенно теряют прочность, и нередко на пологих скло­нах, сложенных такими глинами («быстрыми глинами», как их назы­вают в литературе), происходят внезапные большие по площади опол­зни без каких-либо внешне видимых побудительных причин.

Если образец глины, содержащей ионы какого-либо металла, будет помещен в раствор, содержащий ионы другого металла, то кон­центрация ионов как первого, так и второго металла в поровой воде и окружающем растворе будет постепенно уравниваться. Это в конце концов приведет к замене ионов первого металла в образце на ионы второго металла, поэтому ионы щелочных металлов в поровой воде глин называют обменными ионами.

Если в жидкотекучую взвесь глинистых частиц в воде (золь) доба­вить раствор, содержащий ионы двухвалентного металла, например хлористого кальция, то связующее действие этих ионов приведет к за-густеванию золя, его коагуляции и превращению в гель. Хлористый кальций в данном случае играет роль коагулянта. Напротив, добавка в такой гель ионов натрия (например, раствора хлористого натрия) при­ведет к вытеснению в той или иной степени ионов кальция, ослабле­нию связующего действия обменных ионов и разжижению геля. В дан­ном случае хлористый натрий играет роль пептизатора.

50

По такому механизму происходит коагуляция и выпадение гли­нистых частиц, взвешенных в пресных водах рек, при впадении их в соленые моря. Благодаря коагулирующему действию растворенных солей морские воды всегда меньше замутнены, чем пресные воды континентальных водоемов.

Эффекты коагуляции используются при искусственном укрепле­нии грунтов, а пептизации - при необходимости создания устойчивых золей (промывочных глинистых растворов для бурения и т. п.).

Подобные сложные связи в глинистых грунтах называют водно-коллоидными связями. Пространственная решетка водно-коллоидных связей в достаточно насыщенной глине может быть нарушена при виб­рации или ином динамическом воздействии, что будет сопровождать­ся разжижением. Однако с течением времени водно-коллоидные связи самопроизвольно восстановятся, грунт снова обретет связность. По­добные переходы называются тиксотропными, а само свойство грунта разжижаться и загустевать - тиксотропией. В большой степени этим свойством обладают водонасыщенные грунты Петербурга.

Тиксотропный, обратимый, характер водно-коллоидных связей обусловливает и пластичность глинистых грунтов, то есть их спо­собность деформироваться без снижения сопротивляемости и нару­шения сплошности: в процессе деформирования разрушающиеся связи заменяются другими, вновь появляющимися.

В уплотненных глинах наряду с водно-коллоидными связями может существовать и какое-то количество кристаллических связей, не восстанавливающихся при разрушении, поэтому у перемятых глин, а особенно при дополнительном увлажнении, прочность снижается.

11.5.2. Водно-физические свойства глинистых грунтов

Если глина содержит в себе только гигроскопическую прочно-ювязанную воду, то тиксотропные'свойства водно-коллоидных свя­зей не могут проявляться. Глина в таком состоянии не пластична.

Увеличение влажности глины сверх максимальной гигроскопи­ческой приведет к появлению рыхлосвязанной пленочной влаги. Об­разец такого грунта может деформироваться без нарушения сплош­ности и сохранять полученную форму.

Увеличение влажности сверх максимальной молекулярной при­ведет к появлению в грунте свободной несвязанной воды. Связность

50

грунта резко снижается, он теряет способность сохранять форму, обретает свойство текучести.

Влажность на границах консистентных переходов глинистых грунтов оценивается по условным пробам. Минимальной влажнос­тью пластической консистенции {влажность на границе пластично­сти Vf'^) считается влажность, при которой раскатанный жгут из грунта толщиной 3 мм начинает крошиться на отрезки длиной примерно 3 мм. Максимальной влажностью пластической консистенции {влаж­ность на границе текучести wh считается влажность, при которой стандартный конус с углом при вершине 30° и массой 76 г погружа­ется в грунт от собственного веса на глубину 10 мм.

Интервал влажности между wp и w определяется содержанием в грунте глинистых частиц и их способностью связывать воду (актив­ностью). Эта важная характеристика грунта называется числом плас­тичности^.

J\ = WL'Wr

Для трех видов глинистых грунтов характерны такие значения числа пластичности:

грунт /,

супесь 0,01-0,07

суглинок 0,07-0,17

глина >0,17.

Фактическая консистенция глинистого грунта характеризуется показателем консистенции /; , который определяется по формуле

IL = {w-wp)l {wL - wp), где w - фактическая влажность 1рунта.

В зависимости от величины IL выделяют состояния грунтов по консистенции (таблица). ^

При погружении в воду глинистые грунты ведут себя по-разно­му: одни быстро размокают, другие - медленнее. Быстрее всего раз­мокают супеси, обладающие большим коэффициентом фильтрации, и грунты монтмориллонитового состава. Сильно уплотненные гли­нистые грунты не монтмориллонитового состава благодаря возника­ющим в них водостойким связям кристаллизационного характера не

9!

Грунт и консистенция /
Супеси твердые	<0 /
Супеси пластичные	0-1,0
Супеси текучие	> 1,'0
Суглинки и глины твердые	УО
Суглинки и глины полутвердые	ОЧ),25
Суглинки и глины туг0пластитпые
Суглинки и глины мягкопластичные	0,50-0,75
Суглинки и глины текучепластичные	0,75-1,0
Суглинки и глины текучие	> 1,0

всегда или с большим трудом переходят в пластическое состояние. По скорости размокания глинистые грунты разделяют на неводос­тойкие, слабо водостойкие и относительно водостойкие.

Глинистые грунты, особенно монтмориллонитового состава, при замачивании увеличиваются в объеме, набухают, развивая на жесткие преграды давление, способное привести к их разрушению. Набухае-мость грунта характеризуется коэффициентом набухания, ояредвяяе--мым в приборе с жесткими стенками и рассчитываемымтю-фермуле

5 = (A'-A)/ А, где h, h' - высота образца до и после замачивания.

Грунт с коэффициентом набухания менее 0,04 считается ненабуха-ющим, более 0,12 - сильнонабухающим.

Если набухание образца происходит под нагрузкой, то коэффи­циент набухания будет тем меньше, чем больше нагрузка. При опре­деленной величине нагрузки набухания грунта наблюдаться уже не будет. Эта нагрузка, равная давлению набухающего грунта на жест­кую преграду, называется давлением набухания. Давление набуха­ния в глинах достигает 0,3-0,5 и даже 1,0 МПа, что превышает обыч­ные давления фундаментов на грунт.

Набухающие глины встречаются в аридных климатических зо­нах (нижнее Поволжье, Крым, Казахстан).

Усадка - процесс, обратный набуханию, заключающийся в умень­шении объема глинистого грунта при высыхании. Усадка характери­зуется пределом усадки, численно равным

v\<-v')/y,

где v - объем грунта естественной влажности; v'- объем грунта на пределе усадки.

52.

Усадка сама по себе может привести к деформации опирающих­ся на грунт сооружений, но, кроме того, она создает предпосылки для набухания грунта в случае его увлажнения.

Липкость - отрицательное качество глинистых грунтов. Прили­пание глин к рабочим органам строительных машин снижает их про­изводительность. Липкость характеризуется силой, необходимой для отрыва от образца грунта стальной пластины. Величина этого пока­зателя достигает 25 Tcf 1а. Липкость может быть понижена уменьше­нием влажности подсушиванием или введением в грунт песка.

11.6. Торфы и почвы

Торф образуется в результате отмирания и разложения болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточ­ного доступа кислорода. Сухое вещество торфа состоит из раститель­ных остатков, продуктов их разложения - гумуса - и минеральных включений - золы (до 40 %). Торфы обладают высокой пористостью и влажностью: содержание воды в торфе может в 5-10 раз превы­шать содержание сухих частиц. Следствием этого является высокая сжимаемость торфа при передаче на него нагрузок даже от самого легкого сооружения. При доступе кислорода к торфу, например при понижении уровня подземных вод, возможна активизация гниения органики с выделением взрывоопасного метана.

Минеральные грунты, содержащие примесь торфа (заторфован-ные грунты), обладают отрицательными свойствами торфа, пропор­циональными его содержанию.

Почвы - это особый вид элювиальных грунтов, образованных совместным действием процессов выветривания и живых организ­мов. Главная особенность почв - обогащенность гумусом (2-10 %), который придает почвам темную окраску. Мощность почв обычно составляет первые десятки сантиметров, но в черноземах достигает 2 м и более. Почвы составляют самый верхний грунтовый слой; в рай­онах действия активных аккумуляционных процессов встречаются захороненные почвы.

Почвы, обогащенные органическим материалом и продуктами глубокого выветривания, обладают свойством впитывать большое количество влаги и прочно удерживать ее, что предопределяет боль­

52

шую сжимаемость под нагрузкой, низкие прочностные показатели, липкость. При строительстве почвы удаляются.

11.7. Техногенные грунты

Наиболее часто встречаются два типа техногенных грунтов: пере­мещенные природные грунты (намывные и насыпные); антропоген­ные образования (бытовые свалки и производственные отходы).

Намыв грунтов - широко применяемый способ выравнивания и повышения отметок территорий; большинство районов новостроек Петербурга в прибрежных районах располагается на намывных грун­тах мощностью 1-Зм.

Намывной песчаный грунт имеет среднюю плотность и может служить удовлетворительным основанием. Намывные суглинки и пылеватые грунты могут обладать плохой водоотдачей и длительное время сохраняться в текучем или скрытотекучем (ешютюмпгтттк"-_схлрониому"р^ЖйЖению) состоянии.

Насыпные крупнообломочные грунты скальных пород - надеж­ное малосжимаемое основание. Насыпные песчано-глинистые грун­ты требуют уплотнения.

Промышленные отходы могут быть самыми разнообразными. Отвалы металлургических шлаков, скальных пород горного произ­водства обладают хорошими строительными свойствами. Отходы обогатительных фабрик - жидкие шламы - представляют собой взвеси в воде мелко перемолотых минеральных частиц. Благодаря большому содержанию тончайших пылеватых фракций шламы могут длитель­ное время сохраняться в текучем состоянии, что нередко служит при­чиной серьезных аварий при прорыве оградительных дамб шламохра-нилищ, содержащих порой многие миллионы кубометров шламов.

Золошлаковые отходы электростанций и котельных обладают пылеватым составом, высокой сжимаемостью.

Бытовые и строительные отходы в виде так называемых куль­турных слоев в старых городах достигают 10 м и более. Надежность их как оснований сооружений, так же как и бытовых свалок, опреде­ляется главным образом их возрастом и пропорциональной этому степенью уплотненности. Свалки возрастом менее 20 лет имеют бе­зусловно неудовлетворительные строительные свойства.

53

12. Методы технической мелиорации грунтов

Термином мелиорация (улучшение - фр.) называют различные способы улучшения тех или иных свойств грунтов. Грунты с изме­ненными свойствами входят в класс техногенных грунтов.

В практике промышленно-гражданского и дорожного строитель­ства мелиорация используется:

а) для снижения водопроницаемости трещиноватых скальных, грубообломочных и песчаных грунтов;

б) увеличения связности трещиноватых скальных и обломочных грунтов;

в) снижения просадочности рыхлых, лессовых и мерзлых грунтов;

г) увеличения плотности и снижения сжимаемости глинистых и заторфованных грунтов.

Применяемые методы мелиорации можно разделить на четыре группы: механические, внесение вяжущих добавок, дренажные, тер­мические.

12.1. Механические методы

Для уплотнения насыпных песчано-глинистых и лессовых нросадочных грунтов применяется трамбование падающим грузом. В качестве груза используются железобетонные пирамиды, подве­шиваемые за вершину к подъемному крану. Поднятый груз отцепля­ется от троса и ударом плоского основания уплотняет грунт. Обычно применяется груз массой 2-3 т. При сбрасывании с высоты 10-15 м он уплотняет грунт на глубину 2-3 м. В мировой практике строи­тельства использовались грузы массой до 30 т и даже 200 т с высотой сбрасывания до 40 м, при этом зафиксированная глубина уплотнения грунта достигала 20 м. При использовании легких грузов и необхо­димости уплотнения грунта до глубин, больших глубины трамбова­ния, откапывается котлован до нужной глубины уплотнения, протрам-бовывается его дно, а затем грунт слоями засыпается обратно в кот­лован и послойно протрамбовывается.

При трамбовании необходимо увлажнять или подсушивать грунт до оптимальной влажности, когда силы капиллярной связности в грун­те достигают максимального значения и обеспечивают достижение

53

максимального уплотнения. Увлажнение лессов одновременно сни­жает структурную прочность.

Водонасыщенные грунты трамбовке не поддаются, так как при кратковременном ударе вода не успевает выходить из пор грунта.

Для глубинной трамбовки лессовых грунтов применяется ударно-канатный буровой станок с буровым снарядом в виде тяже­лой сигаровидной металлической болванки (рис. 48). Первоначаль­но этим снарядом пробивается скважина, затем в скважину под­ливается вода для увлажнения грунта вокруг скважины, подсыпа­ется местный грунт и производит­ся его втрамбовывание тем же са­мым снарядом в стенки скважины. Рис. 48. Глубинное трамбование: В радиусе 1-1,5 м от скважины / - трамбовка: 2 - втрамбованный .рунт [рунт ушютняется Подобные опе­рации уплотнения ведутся по шахматной сетке 2x2 или 3 х 3 м.

Для получения фунтов максимальной плотности применяют оп­тимальные смеси грунтов различного гранулометрического состава, подбирая их из такого расчета, чтобы промежутки между контактиру­ющими частицами каждой фракции были заполнены частицами более мелких фракций. Уплотненная смесь щебня, песка и глины может слу­жить полотном автодороги или основой аэродромного покрытия.

Уплотнение сухих или, напротив, водонасыщенных песчаных сыпучих и крупнообломочных грунтов может быть достигнуто виб­роуплотнением. Вибратор, установленный на поверхности грунта, обеспечит уплотнение полусферы радиусом 1-2 м. Если вибрация передается через металлический стержень, погружаемый в грунт, то достигается глубинное виброуплотнение. Влажные грунты с действу­ющими силами капиллярной связности виброуплотнению почти не поддаются.

Укатка песчано-глинистых грунтов при оптимальной влажности тяжелыми катками уплотняет их на глубину нескольких десятков сан­

54

тиметров. Если каток дополнительно снабжен вибратором, то вибро­укатка позволяет уплотнять даже водонасыщенные малоглинистые грунты.

12.2. Укрепление грунтов вяжущими добавками

Снижение плдпплпницярмпгтн и пгмгмшримр гпа-зипгты тпгаимнп-- - _„„..г„ --------.. —„„_..-----*|---.-----

ватых скальных и крупнообломочных грунтов может быть достигнуто цементацией. В пробурешгую скважину под давлением до 0,5-1,0 МПа нагнетается цементное молоко, проникающее в окружающие поро­ды на расстояние от 1,5-2 до 5-8 м в зависимости от проницаемости пород. После твердения цемента грунт обретает требуемые свойства. Так осуществляется глубинная цементация при создании цемента­ционных завес под плотинами, при укреплении пород по оси проход­ки тоннеля. Применение вместо цемента синтетических смол (эпок­сидных, карбамидных) обеспечивает более высокие прочностные и противофильтрационные свойства укрепленному грунту.

При поверхностной цементации к поверхностному слою грунта добавляется 3-5 % цемента. После укатки грунта и схватывания це­мента образуется довольно твердый грунтоцемент, служащий хоро­шей основой для дорожных и аэродромных покрытий или времен­ным покрытием.

Силикатизация грунта основана на введении в грунт силиката натрия (жидкого стекла). Вступая в реакцию с солями грунта или со специально вводимыми растворами, силикат натрия образует сили-кагель, который при свертывании образует тонкие халцедоновые плен­ки и прочно связывает грунт.

Для закрепления лессовых грунтов достаточно произвести нагнетание раствора силиката натрия, вступающего в реакцию обме­на с содержащимся в лессах карбонатом кальция. Образующийся нерастворимый силикат кальция обеспечивает немедленное устра­нение просадочных свойств грунта и дальнейшее нарастание его проч­ности со временем.

Закрепление крупно- и среднезернистых песков производится методом двухрастворной силикатизации. В грунт последовательно нагнетаются растворы силиката натрия и хлористого кальция, всту­пающие в грунте в реакцию обмена. Для укрепления мелкозернис­

54

тых песков применяется однорастворная силикатизация: в грунт вво­дится раствор силиката натрия и кремний-фтористой кислоты:

Na2Si03 + H2SiF2 + HzO -» NaF+ Si02-nH,0

Медленно развивающийся процесс-свертывания силикагеля обес­печивает закрепление грунта.

В последнее время получил распространение метод газовой си­ликатизации: в грунт первоначально вводится раствор силиката на­трия, а затем производится нагнетание углекислого газа. Реакция вза­имодействия /

Na,SiO, + СО/+ НО -> Na,CiO, + SiO,nH,0

2 i В. 2 2 j 2 2

/

приводит к образованию силикагеля.

Укрепление пластичных глинистых грунтов может быть дос­тигнуто с помощью так называемых известковых свай. Пробурен­ная в грунте скважина заполняется смесью того же грунта и извести Са(ОН),. Процессы ионного обмена с окружающим грунтом приво­дят к проникновению ионов кальция на расстояние до 1 м. Ионы Са" связывают поровую воду и упрочняют грунт в виде столба вокруг скважины.

12.3. Дренажные методы

Дренажные методы мелиорации используются для удаления воды из грунтов с плохой водоотдачей: глинистых грунтов., плывунных песков.

Уменьшение сжимаемости массива глинистых грунтов может быть достигнуто с помощью вертикальных песчаных дрен (песча­ных свай) и предварительной пригрузки массива. С поверхности мас­сива пробуриваются по сетке 2 х 2-3 х 3 м скважины и заполняются песком (рис. 49). Далее массив сверху пригружается насыпью (обыч­но 3-5 м высоты). Под давлением насыпи поровая вода отжимается из грунта в песчаные дрены и поднимается на поверхность.

Вместо песчаных свай в последнее время находят все большее применение так называемые бумажные дрены. Полоса толстой рых­лой синтетической бумаги, напоминающая по своим свойствам фи­тиль керосиновой лампы, запаивается между прочными перфориро-

55

Рис. 49. Уплотнение водонасыще1нного грунта: 1 - уплотняемый грунт; 2 - песчаная .дрена; 3 - насыпь

ванными синтетическими полосами. С помощью специального вы­сокопроизводительного станка лента помещается в продавленную скважину и выполняет функции дрены.

Активным методом осушения глинистых и плывунных грунтов является электроосмос. Таким термином Называют способность об­менных ионов глинистого грунта мигрирсзвать в направлении сило­вых линий электрического поля. В осушаемый грунт по шахматной сетке вводятся электроды, причем катоды имеют вид полых перфо­рированных труб, а аноды - обыкновенные стержней. К электродам подключается постоянный ток, и обменные ионы щелочных метал­лов, несущие положительный элекгрическшй заряд, с окружающими их гидратными оболочками мигрируют в, направлении от анодов к катодам. Осмотический напор порой бываееттак высок, что вода фон­танирует из труб-катодов. Эффективность: электроосмотического уп­лотнения может быть повышена, если черезз полые катоды подавать в грунт хлористый кальций; ионы Са++ будутт способствовать упрочне­нию грунта.

12.4. Термические меетоды

Оггаивание мерзлых грунтов для последующей разработки или уплотнения производится паро- или электропрогревом. Горячий пар подается в грунт через металлическую тррубу (паровую иглу), кото­рая погружается в грунт по мере его отттаивания. Электропрогрев осуществляется путем пропускания через ггрунт электрического тока.

55

Устранение просадочных свойств лессового грунта может быть достигнуто методом обжига. Для этого в грунте пробуривается сква­жина, а в нее опускается горелка, к которой подводятся горючее и сжатый воздух. Раскаленные газы производят обжиг грунта и вокруг скважины в радиусе около полуметра образуется водостойкая кера­мическая структура.

Временным, но весьма эффективным методом укрепления водо-содержащих грунтов любого гранулометрического состава является искусственное замораживание. В пробуренные скважины вставляются коаксиальные трубы, в пространстве между которыми циркулирует хладоагент (раствор хлористого кальция, жидкий азот и др.). Про­мерзший грунт является совершенным водоупором и обладает высо­кими механическими свойствами. Метод широко применяется при проходке шахтных стволов и тоннелей, в частности при строитель­стве петербургского метро.