книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

Часть 1

МЕХАНИКА ГРУНТОВ

ГЛАВА 1 СОСТАВ, СТРОЕНИЕ

И СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ

1.1. Грунтовые основания. Происхождение грунтов

Всякое сооружение покоится на грунтовом основании. В зависи­ мости от геологического строения участка застройки строение ос­ нования даже расположенных вблизи сооружений может быть раз­

11

гимн конструкционными материалами (бетон, железобетон, металл, кирпич и т. п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грунтовых основа­ ний.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.

Горной породой называют закономерно построенную совокуп­ ность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой.

Под составом подразумевают перечень минералов, составля­ ющих породу. Структура — это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстура — пространст­ венное расположение элементов грунта, определяющее его стро­ ение.

Термин «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», который используется в геологии, географии, горном и геолого-разведочном деле. В ин­ женерной геологии термин «горная порода» применяется при описа­ нии геологической среды за пределами основания и на допроектных стадиях исследований.

Горная порода, а следовательно, и грунт представляют собой не случайное скопление минералов, а закономерную определенным образом построенную совокупность. Это имеет исключительно большое значение для строительства. Действительно, случайных совокупностей минералов может быть много. Закономерно по­ строенных совокупностей горных пород в природе выделяется большое, но ограниченное количество. Инженерная геология из­ учает закономерности образования и свойства горных пород как грунтов. Наличие в природе однотипных грунтов, широко рас­ пространенных в разных частях Земли, служит основанием для разработки стандартных приемов строительства и применения типовых конструкций фундаментов. Так, существование слабых водонасыщенных грунтов — илов — уже в древности привело к идее устройства свайных фундаментов; особые свойства не менее широко распространенного лессового грунта потребовали раз­ работка специальных способов строительства и т. п. В связи с этим, прежде чем рассматривать методы расчета и проектирова­ ния оснований и фундаментов, необходимо изучить основные типы грунтов, их физические свойства, особенности строения оснований.

Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. В инженерной геологии , происхождение грунтов детально изучено для разных условий. Про­ исхождение положено в основу классификации грунтов (ГОСТ 25100-82).

Все грунты разделяются на естественные — магматические, оса­

12

дочные, метаморфические — и искусственные — уплотненные, за­ крепленные в естественном состоянии, насыпные и намывные.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов маг­ мы в верхних слоях земной коры (интрузивные" или глубинные, породы — граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузив­ ные, или излившиеся,— базальты, порфиры и др.).

Осадочные горные породы образуются в результате выветрива­ ния, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадоч­ ного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от сте­ пени упрочнения различают сцементированные (песчаники, доломи­ ты, алевролиты и т. п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лёссы, илы, торфы, почвы и т. п.).

Метаморфические горные породы образуются в недрах из оса­ дочных, магматических или метаморфических пород путём их пере­ кристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метамор­ фические горные породы — сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Горные породы магматического, метаморфического происхож­ дения и сцементированные осадочные породы обладают жесткими связями между частицами и агрегатами и относятся к классу скальных грунтов. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к классу нескальных грунтов.

В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной со­ временного выветривания, под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического состава воды, газов, деятель­ ности растительных и животных организмов и т. п. развиваются процессы выветривания — физического, химического, органическо­ го разрушения минералов и горных пород.. Продукты разрушения верхних зон коры выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переноситься на большие расстояния и вновь отклады­ ваться на новых территориях. Различие условий происхождения и дальнейшего изменения являются причиной разнообразия стро­ ения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.

К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные матери­ алами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и Глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т. п.). К классу нескальных искусственных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в при­ родном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые промышленные отходы (шлаки, золы и т. п.).

13

1.2. Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии — грунтоведении.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной (рис. 1.2).

Иногда в грунте выделяют биоту — живое вещество. Это опра­ вдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воз­ действие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бак­ терий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, и мы будем рассматривать грунт как трехкомпонентную систему.

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в посто­ янном взаимодействии, которое активизируется в результате стро­ ительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооруже­ ний, т. е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глу­ бинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух

и даже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты

всоставе грунта может встретиться твердая и газообразная ком­ поненты либо только твердая, если все пространство между части­

цами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грун­

14

даментостроения, если бы грунт можно было рассматривать как механическую систему, состоящую из твердого, жидкого и газооб­ разного веществ с фиксированными независимыми свойствами каж­ дой компоненты. В действительности депо обстоит сложнее. На свойства грунта как системы значительное влияние оказывает мине­ ральный и химический состав вещества, наличие биологически ак­ тивной составляющей. Химические, физические, физико-химические и биологические процессы в грунтах протекают в сложном взаимо­ действии, сливаясь в единый геологический процесс, который изме­ няет свойства грунта во времени до строительства, при строитель­ стве и впоследствии при эксплуатации сооружений.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минера­ лов с различными свойствами. Ч асть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты, полностью сложен­ ные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метамо­ рфических и часть осадочных. Среди осадочных пород этими мине­ ралами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также об­ разующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты. Многие грунты содержат инертные минералы в значительных коли­ чествах, но наряду с минералами других групп.

Большое влияние на свойства грунтов оказывают раствори ­ мые в воде минералы. К ним относятся галит NaCi, гипс CaS04-2H20, кальцит СаС03 и некоторые другие. Такие распрост­ раненные горные породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно. Эти грунты традици­ онно используются как надежные основания и стойкие строитель­ ные материалы. При этом необходимо убедиться , в отсутствии в основании крупных пустот. Образование кислых дождей и утечка кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамо­ ра и известняка и как основания, и как материала сооружений, с чем связаны деформации зданий и частые ремонтно-реставрационные работы, например белокаменного декора старой Москвы.

В нескальных грунтах растворимые минералы обычно или от­ сутствуют, или встречаются в небольших количествах, не превыша­ ющих нескольких процентов по массе. Однако и малое содержание растворимых минералов оказывает существенное влияние на свой­ ства грунта. В сухом состоянии частицы грунта могут быть скреп­ лены растворимыми минералами (например, лёссовые грунты). При увлажнении связи разрушаются, грунт теряет прочность и может деформироваться даже от собственного веса, тем более под нагруз­

15

помнить, что здания XIX в. и более ранние в городах часто стоят на деревянных сваях. Понижение уровня подземных вод с обнажением свай ведет к деформациям фундаментов и верхнего строения через несколько лет после дренирования.

Жидкая составляющая грунтов. Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым суще­ ственным образом зависят от состава и содержания в них воды. Основываясь на работах А. Ф. Лебедева, А. А. Роде, П. А. Ребин­ дера, Е. М. Сергеева и др., можно выделить следующие состояния воды в грунте: кристаллизационная, или химически связанная, свя­ занная и свободная. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составля­ ющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

К ристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести'к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.

Вода, заполняющая поры грунта («поровая вода»), может рас­ творять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. В некоторых районах даже в верхних слоях грунта содержание солей в воде достигает 10 г/л. Взаимодействуя с поверхностным слоем глинистых минералов, молекулы воды и ионы растворенных в ней веществ проникают в различного рода дефекты этого слоя. Происходят обмен ионов поверхностного слоя с ионами грунтового раствора, диссоциация некоторых минералов этого слоя с переходом ионов водорода в раствор. В результате на поверхности тонкодисперсных частиц возникает отрицательный электрический заряд, а вокруг самих ча­ стиц образуется электрическое поле.

Молекулы воды в целом электронейтральны, но, поскольку ато­ мы водорода и кислорода расположены в них несимметрично, они представляют собой диполи, один конец которых соответствует положительному, а другой — отрицательному заряду. Электричес­ кое поле поверхности частиц притягивает катионы грунтового рас­ твора, образуя диффузные оболочки. Молекулы воды, в свою оче­ редь, ориентируются положительно заряженными концами в напра­ влении поверхности частиц и отрицательно заряженными концами вокруг катионов. По мере удаления от поверхности частицы силы электромолекулярного взаимодействия падают, концентрация кати­ онов уменьшается и увеличивается концентрации анионов, притяже­ ние молекул воды поверхностью частиц ослабевает.

С уменьшением сил электростатического притяжения начинают преобладать силы хаотического теплового движения ионов рас­ твора и молекул воды. Активность проявления этих процессов определяется минеральным составом частиц, химическим составом

17

и концентрацией грунтового раствора и многими другими фак­ торами.

Молекулы воды непосредственно у поверхности частиц испыты­ вают огромные, в сотни МПа, силы притяжения. Свойства этой воды, называемой прочносвязанной водой, существенно отлич­ ны от свойств свободной воды: плотность достигает 1,2...2,4 г/см3, вода имеет повышенную вязкость, не замерзает при температуре до —100 °С и т. п.

Последующие слои молекул воды, оставаясь связанными повер­ хностью частицы, уже испытывают все уменьшающуюся силу при­ тяжения. Такая вода называется рыхлосвязанной. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках. Наконец, на достаточном удалении от поверхности частицы силы притяжения ослабевают настолько, что определяющим становится тепловое движение молекул воды и ионов раствора. Такая вода называется свободной. На рис. 1.4 показана принципиальная схе­ ма взаимодействия поверхности пылевато-глинистой частицы с поровой водой.

Свободная вода в грунте подчиняется законам гидравлики. Она

18

передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделя­ ют на гравитационную и капиллярную. Практически вся вода, содержащаяся в трещиноватых скальных породах, крупнообломоч­ ных, гравелистых и крупных песках, относится к гравитационной. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах.

В тонкозернистых грунтах поры объединяются в систему слож­ ных по конфигурации капиллярных каналов. За счет смачивания водой стенок вертикальных каналов поверхность водяного столба искривляется, образуя вогнутый мениск. Силы поверхностного натя­ жения на вогнутой поверхности, складываясь, дают вертикальную составляющую давления рг, поднимающую столб воды на высоту hK тем большую, чем меньше диаметр капилляра (рис. 1.5, а).

Приведем предельную высоту капиллярного поднятия в неко­ торых типах грунтов (по А. М. Овчинникову): песок крупный — 3,5 см; песок средний — 35 см; песок мелкий — 120 см; супесь — 3,5 м; суглинок — 6,5 м.

В глинах диаметр капилляров меньше, чем в суглинках. Каза­ лось бы, следует ожидать дальнейшего увеличения высоты капил­ лярного поднятия. Однако здесь одновременно увеличивается тол­ щина пленок связанной воды, окружающей глинистые частицы, и нарушается механизм смачивания. Тонкие поры в глинистых грунтах (ультрапоры) могут быть полностью заняты связанной водой, и движение капиллярной воды в них будет отсутствовать.

Давление рк, называемое капиллярны м давлением, уравно­ вешивается весом столба жидкости высотой hs. Следовательно, вода в пределах капилляра испытывает растяжение. В то же время, согласно третьему закону Ньютона, к частицам грунта, состав­ ляющим стенки капилляра, в уровне менисков оказывается прило­ жено сжимающее давление такой же величины рк.

В не полностью водонасыщенных грунтах образуется капилляр­ но-стыковая вода, которая сосредоточивается вблизи контактов соприкасающихся частиц (рис. 1.5, б). В этом случае на границах воды и газа также образуются мениски, в воде возникают рас­ тягивающие напряжения pz, передающие сжимающие напряжения на частицы. В результате по всему объему влажного грунта создает­ ся всестороннее сжатие.

Сложное и разнообразное взаимодействие твердых частиц грун­ та с водой очень сильно влияет на свойства грунта. Например, замерзание пылевато-глинистых грунтов происходит постепенно при понижении отрицательной температуры: сначала в лед перехо­ дит свободная вода, затем периферийные и, наконец, более глубокие слои рыхлосвязанной воды. Фильтрация свободной воды в грунте возникает сразу же после появления разности напоров. Однако для перемещения слоев даже рыхлосвязанной воды требуется приложе­ ние тем больших силовых воздействий, чем ближе эти слои находят­

19

ся к поверхности частиц. В то же время, если по каким-либо причинам, например из-за перепада температуры в зоне замерзания грунта, соседние частицы будут иметь разные по толщине слои связанной воды, возможно возникновение миграции — перемеще­ ния связанной воды из более толстых пленок в более тонкие. Если зона замерзания грунта соединена капиллярной водой с уровнем подземных вод, то объем воды, подтягиваемой в зону замерзания, может быть весьма значительным.

Можно было бы привести и другие многочисленные примеры, которые будут рассмотрены в соответствующих частях курса. Здесь важно отметить, что знание физико-химических особенностей вза­ имодействия твердых частиц с водой в грунте позволяет не только объяснить многие важные особенности поведения грунта, но и раз­ работать важные для практики строительства инженерные меропри­ ятия.

Газообразная составляющая грунта. Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов. В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже — азотом, метаном, сероводородом и другими га­ зами. Необходимо подчеркнуть, что метан, сероводород, угарный газ ядовиты и могут содержаться в грунте в концентрациях, опас­ ных для жизни работающих в слабо проветриваемых выемках. Интенсивность газообмена между атмосферой и грунтом зависит от состава и состояния грунта и повышается с увеличением содержа­ ния и размеров трещин, пустот, пор. В газообразной составляющей всегда присутствуют пары воды.

Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на незащемленный сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде. В поровой воде всегда содержится то или иное количество растворенного газа. Повышение давления или понижение температуры приводит к увеличению количества растворенного газа.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания рас­ творенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Наблюдения показывают, что при подтоплении территории (по­ вышении уровня подземных вод) в обводненном грунте на многие годы, если не на десятилетия, задерживается защемленный газ. Это

20