Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра

“Строительные конструкции и инженерные сооружения”

624.13(07)

К142

В.С. Казанцев механика грунтов

Учебное пособие к лабораторным работам

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2006

УДК 624.131(076.5)

_{Казанцев В.С. Механика грунтов. Учебное пособие к лабораторным работам. – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ,2006. – 79с}

Настоящее пособие охватывает разделы "Физические свойства грунтов" и "Механические свойства грунтов" курса "Механика грунтов”.

Цель пособия – помочь студентам в самостоятельной под­готовке к лабораторным работам.

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения.

Ил. 38 , табл. 14, список лит. – 10 назв.

Одобрено учебно – методической комиссией архитектурно–строительного факультета ЮУрГУ (для специальности “Промышленное и гражданское строительство” и “Автомобильные дороги и аэродромы”).

Рецензенты

Миронов А.А. – ректор УФ МАДИ

Аман И.В. – Главный инженер фирмы ГЕОИНМАР

© ЮУрГУ, 2006.

Физические свойства грунтов

Минералогический состав грунтов.

Минералогический состав грунтов показывает, из каких минералов они состоят. В подавляющем большинстве случаев он определяет инженерно-геологические свойства грунтов и, сле­довательно, поведение их во взаимодействии с сооружением.

Песчаные грунты, более или менее однородны по своему ми­нералогическому составу. Поэтому и свойства их колеблется в небольших пределах. В состав песчаных грунтов в основном входят кварц, полевой шпат (ортоклаз), слюда (мусковит).

Глинистые грунты являются полиминеральными образованиями. Среди глинистых минералов выделяются следующие три основные группы. Группа каолинита обладает прочной неподвижной кристаллической решетной, которая и основном сохраняется и при увлажнении. Эти минералы проявляют незначительную способность связывать воду. Группа монтмориллонита имеет подвижную решетку, которая при увлажнении раздвигается вплоть до распада минерала на эле­ментарные кристаллические ячейки. Может удерживать в себе значительное количество воды. Группа гидро­слюд (иллита) обладает промежуточными свойствами по отношению к двум вышеназванным.

1. 2. Структура и текстура грунтов

Под термином структура грунтов понимают следующее;

1) размер, форму и характер поверхности частиц;

2) их относительное расположение и взаимоотношение;

3) характер связей между частицами грунта, оказывающих соп­ротивление при механическом воздействии на него. Песчаные частицы по форме круглые или угловатые, размер частиц от 2 до 0,05 мм, причем преобладающего pauuepa в каком-либо направлении не существует. Глинистыми считаются частицы менее 0,005 мм. Они; имеют чешуйчатую форму (один размер значительно меньше двух других).

Песчаный грунт имеет р а з д е л и т е л ь н о-з е р н и с т у ю структуру. В ней отдельные зерна опираются друг на друга, причем в местах контактов возникают силы трения, определяющие устойчивость структуры. Раздельно зернистая структура по плотности укладки зерен делится на плотную и рыхлую (рис. 1).

Рис. 1 Разделительно- зернистая структура

песчаных грунтов: 1– плотная; 2 – рыхлая

.

1

.

2

.

Глинистые грунты обычно обладают агрегатной структурой. От раздельно-зернистой она отличается тем, что отдельные элементы грунта соединены вместе и обра­зуют более крупные и сложные вторичные элементы, или агре­гаты. По размерам агрегатов различают микро и макроагрегатную структуру, в последней агрегаты видны невооруженным глазом.

В зависимости от процессов образования и формирования в глинистых грунтах встречаются следующие виды структур:

1. Губчатая структура свойственна пылеватым грунтам, илам, образовавшимся путем осаждения в воде. В процессе осаждения частицы грунта, прилипая одна к другой, формируют агрегат. При этом размеры пор в несколько раз превышают размеры самих частиц.

2. Хлопьевидная структура образуется в глинистых грунтах осадочного происхождения, которые в значительном количестве содержат чешуйчатые частицы. В процессе осаждения в воде последние подвергаются коагуляции под действием электролита, образуя хлопья из первичных агрегат губчатой структуры.

Рис.2.Типы структур в глинистых грунтах:

1– губчатая; 2 – хлопьевидная; 3 – комковатая; 4 – сетчатая

.

4

.

3

.

2

.

1

.

3. Комковатую структуру приобретают верхние слои связных грунтов, подвергшиеся почвообразовательным процессам под влиянием атмосферной влаги, испарения и над воздействием растительных и животных организмов.

4. Сетчатая структура отличается тем, что частицы грунта в ней сцементированы между собой вяжущими веществами (напр., СаСО₃), причем поверхности соприкосании каждой частицы весьма малы и составляют лишь незначительную часть её полной поверхности. Эта структура харак­терна для лессовых грунтов.

Связи между частицами в глинистых грунтах могут быть пер­вичными (образованными при возникновении) и вторичными (образованными в процессе старения породы). Прочность глинистых грунтов в значительной степени обусловлена прочностью связей, так как они значительно уступают по прочности самим части­цам. Поэтому вопрос изучения связей приобретает первостепенную роль.

Чтобы характеризовать степень однородности грунта в раз­резе, говорят о текстуре. Текстура — это совокупность признаков, характеризующих неоднородность строения грунта в пласте. Песчаные грунты имеют бутовую текстура, а глинистые – слоистую (рис. 3).

Структура и текстура оказывают значительное влияние на формирование физических и механических свойства грунтов (плотность, влажность, сжимаемость, прочность).

Рис. 3. Текстура грунтов:

1 – слоистая; 2 – бутовая

.

2

.

1

.

1.3 Вода в грунтах

1. Грунт не является сплошным образованием. Между его час­тицами есть пустоты (поры), которые полностью или частично могут быть заполнены водой.

По исследованиям А.Ф.Лебедева, вода может находиться в грунте в следующих видах: 1. Парообразная вода.

2 Вода в твердом состоянии (лед).

3. Гигроскопическая и пленочная вода (связана поверх­ностью грунтовых частиц).

4. Свободная или гравитационная вода, подразделяемая на собственно свободную и капиллярную.

5. Кристаллизационная и химически связанная вода в составе минералов, например, СаСО₃2Н₂О – гипс, Na₂SO₄10H₂O – ми­рабилит.

С инженерно-геологической точки зрения для изучения влия­ния различных видов вода на свойства грунтов целесообразно выделить для специального рассмотрения свободную и поверх­ностно связанную воду. Парообразная вода сколько-нибудь заметного влияния на свойства грунта не оказывает, крис­таллизационная и химически связанная вода является неотъем­лемой частью минералов, свойства воды в твердом состоянии изучают в разделе «Мерзлые грунты».

Поверхностно связанная вода может содержаться только в таких грунтах, в состав которых входят достаточно мелкие частицы. Чем мельче частицы, тем больше их поверхность и тем больше поверхностная энергия грунта.

Поверхность твердой частицы несет заряд (чаще отрицательный), обусловленный наличием свободных валентностей у поверхностного слоя частицы (ряс. 4). В непосредственной близости от этого слоя расположен слой противоположно за­ряженных частиц (ориентированных молекул воды и ионов), который благодаря значительным электрическим силам,

определяемой величиной электростатического потенциала , удерживается на поверхности частицы достаточно прочно (слой 2). Так формируется слой прочно связанной воды. За ним располагается слой 3 рыхло связанной воды, находящей­ся под воздействием электрокинетического потенциала. Электрические силы вносят определенный порядок, а расположении ионов и молекул этого слоя, однако тепловое движение постоянно нарушает его.

Следствием противоположных тенденций электростатического притяжения и теплового движения является состояние некоторого подвижного равновесия, устанавливающееся в слое 3. По мере удаления от частицы электростатические силы уменьшаются и уже не воздействуют на ионы.

Здесь находится свободный поровый раствор (слой 4). Таким образом, на поверхности частицы имеется слой 2 прочно связанной воды и ионов (неподвижный слой) и слой 3 рыхло связанной воды и ионов (диффузный слой). Эти два слоя образуют подобие конденсатора (слой 1 и 2 + 3). Это двойной электрический слой.

4

.

3

.

2

.

1

.

Рис. 4. Схема двойного электрического слоя:

1 – заряды на поверхности частицы; 2 – прочно связанная вода;

3 – рыхло связанная вода; 4 – свободная вода

На основе рассмотренного явления строение коллоидной час­тицы, входящей в состав глинистого грунта, можно предста­вить так. В центре расположена отрицательно заряженная мине­ральная частица - ядро, окруженная катионами и ориентирован­ными молекулами воды, образующими неподвижный слой. Ядро вместе с этим слоем называется гранулой. Далее находится диффузный слой. Все вместе взятое составляет мицеллу. Еще дальше следует свободный поровый раствор.

Таким образом, на поверхности частицы имеется прочно связанная вода и рыхло связанная вода, которые образуют слой поверхностно связанной воды. Прочно связанная вода имеет такие свойства: она не обладает растворяющей способностью для солей, перемещение её проис­ходит только в парообразном состоянии, теплоемкость 0,5;

она не проводит электричество, не замерзает до температуры –78 °С, удельный вес ее примерно 1,5 г/см³.

Рыхло связанная вода перемещается в грунтах, от пленок с большей толщиной к пленкам с меньшей толщиной в любом направ­лении. Температура ее замерзания ниже нуля, гидростатического давления не передает, но обладает растворяющей способностью.

В качестве важных свойств связанной воды отметим раскли­нивающее давление и смазывающее действие. При небольшом влагосодержании вода может подпитываться извне за счет дейст­вия электростатических сил. Увеличение толщины пленок ведет к увеличению расстояния между частицами: они как бы расклиниваются. Смазывающее действие воды основано на замене су­хого трения мокрым. Принципиальное понятие об этом дает лю­бая механическая модель.

Свободная вода содержится в грунтах в двух видах: капиллярная и собственно свободная. Первая является разновидностью свободной воды. Она образуется при наличии границы раздела вода -воздух- минеральная частица. Капилляр­ная вода может заполнять поры грунта полностью. Если же в них есть воздух, то в зависимости от взаиморасположения воды и воздуха, а также от их количественного соотношения различают два вида состояния увлажнения грунта: состояние е защемленной водой и состояние с защемленным воздухом. Различают капиллярно-поднятую и капиллярно-подвешенную воду. В первом случае, ее образование происходит в результате поднятия свободной воды под действием капиллярных сил над горизонтом грунтовых вод, причем связь ее с грунтовой водой не прерывается. Во втором случае капиллярная вода не имеет связи с грунтовой водой.

Из свойства свободной воды отметим только основные, важ­ные с инженерно-геологической точки зрения:

1. растворяющую и разлагающую способность (в том числе агрессивность);

2. передачу гидростатического давления;

3. механическое воздействие движущейся воды (гидродинами­ческое давление).

Если все поры грунта заполнены водой, то такое количест­во воды соответствует полной влагоемкости грунта, в данном его состоянии. Водоподъемная способность грунта. Пористость грунта сообщает ему свойство капиллярности и водоподъемную или всасывающую способность. Физическая сторона этого явления представляется в следующем виде. В порах, как в капиллярных трубках, вода образует вогнутый мениск с силами поверхностного натяжения, направленных по касательным к шаровой поверхности мениска (рис. 5). Разложение этих сил на горизонтальные, и вертикальные составляющие вскрывает наличие сил, притягивающих частицы воды к стенкам поры или к частицам грунта, и суммарной вертикальной силы, направлен­ной вверх, подъемной силы капилляра. По формуле Лапласа, вертикальная сила, отнесенная к еди­нице поверхности мениска:

;

где — постоянная величина, равная для воды 7,7 мг/мм;

R—радиус мениска.

Отсюда видно, что подъемная сила капилляра обратно пропорциональна радиусу мениска. Угол наклона сил поверхностного натяжения к вертикали сохраняет постоянное значение для капилляров различных диаметром со стенками из одного и того же вещества.

Поэтому радиус мениска прямо пропорционален диаметру капилляра. Следовательно, подъемная сила капилляра обратно пропорциональна диаметру капилляра. Размеры пор в грунте зависят от его зернового состава и степени уплотнения. Поэтому подъём воды в грунте тем больше чем мельче его зерна и чем больше он уплотнен.

Рис.5.Схема капиллярного натяжения мениска

Если наименьшее измерение пор составляет более 5 мм, то капиллярного подъема не наблюдается, тaк как лишены водоподъемной способности средний и крупный гравий и галечник.

Капиллярное давление. При капиллярном поднятии воды i порах грунта вертикальная составляющая поверхностного натяжения уравновешивает вес столба воды (рис.6): Q=_ВhF, где Q – подъемная сила мениска, где _В плотность воды, г/см³; h – высота капиллярного поднятия, см; F– площадь поперечного сечения капилляра, см².

Приняв _В=1 г/см³, имеем Q=hF, имеем Q=hF.

Следовательно, по закону “действие равно противодействию” на уровне противодействию на уровне мениска на скелет грунта действует сила Q₁, равная весу поднятой воды Q. Эта сила называется капил­лярным давлением. Капиллярное давление прямо пропорционально высоте подъема воды. Эта высота тем больше, чем мельче поры, т. е. чем больше в грунте тонкозернистых, фракций и чем грунт плотнее (иск­лючение составляют глины, в которых вся во­да может находиться в связанном состоянии).

Капиллярное давление, прижимающее частицы грунта друг к другу, одна из причин появления связности в грунте.

Р . ис.6. Схема капиллярного давления на уровне мениска

Грунт, залитый водой, т. е. находящийся ниже поверхности воды, не имеет капиллярного давления. Поэтому грунт, связность которого обусловлена силами капиллярного натяжения, будучи затоплен водой, теряет свою связность. Но при понижении уровня воды, с момента обнажения грунта, возникает капиллярное давление, величина давления растет по мере спада уровня воды, пока не достигнет наибольшей величины, свойственной грунту и зависящей от его зернового состава и степени уплотнения. При этом грунт под воздействием капиллярного давления уплотняется.

Силы поверхностного натяжения воды. Грунтовая влага, состоящая из капель, заключенных между частицами грунта, и пленок, окружающих частицы, обладает силами поверхностно­го натяжения, которые прижимают частицы друг к Где – поверхностное натяжение воды, кг/см; R–радиус частицы грунта, см; – угол между радиусами, проведенными в точки касания поверхности частицы с поверхностью мениска и с поверхностью соседней частицы (рис.7).

Выражение силы t показывает, что она тем больше, чем выше R, т. е. чем меньше размеры частиц и чем меньше угол  т. е. чем ниже степень водонасыщения. Наличие зависимости силы t от степени

водонасыщения объясняет уменьшение связности грунта с увеличением влажности в нем. Это делает понятными случаи нарушения устойчивости грунтовых массивов в косогорах и в откосах выработок при значимом увлажнении, которое уменьшает силу связности и од­новременно увеличивает объемный вес грунта.

Помимо уменьшения поверхностного натяжения, происходит и ослабление действия молекулярных сил между частицами друг к другу. Эти силы – одна из причин возникновения связности в грунте.

Рис.7. Схема капиллярного давления внутри грунта

Эти силы — одна из причин возникновения связности в грунте. Проф. Покровский, основываясь на формуле Лапласа, нашел, что эта доля связности зависит от поверхностного натяжения: