книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

имеет большое значение, в частности при сейсмическом микрорайо­ нировании. На обводненных грунтах сейсмическая бальность выше. Защемленный воздух поднимает ее дополнительно, так как снижает скорость прохождения сейсмических волн.

Итак, грунт состоит из твердой, жидкой и газообразной ком­ понент. В каждой из трех компонент чаще в малом и незначитель­ ном, а иногда и в существенном количестве содержатся микроор­ ганизмы. Из всех составляющих грунта наиболее стабильной явля­ ется твердая компонента. Жидкость (вода) при отрицательных тем­ пературах переходит в твердое состояние (лед), может истекать, испаряться. Газ при перемене условий растворяется, вытесняется жидкостью или другими газами. Очевидно, что свойства грунтов зависят от состава, состояния и взаимодействия слагающих его компонент.

1.3. Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального ве­ щества, образует как бы каркас, скелет грунта. Поровая вода и газ как сплошная среда располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Уг­ ловатая форма характерна для мельчайших кристаллов, которые не округляются при соударениях из-за их исключительно малой массы и значительной прочности. Среди крупных обломков выделяются угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий).

Для удобства классификации частицы, близкие по крупности, объединяются в определенные группы (гранулометрические фрак­ ции), которым присваиваются соответствующие наименования (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Классификация частиц грунта по размерам

Крутообломочные

21

Природные грунты состоят из совокупности частиц разного размера. Пожалуй, только морские отложения бывают хорошо отсортированы: на песчаном морском пляже не встречаются ни крупнообломочные, ни пылевато-глинистые частицы. Речные пески значительно менее отсортированы. Здесь можно встретить не толь­ ко песчаные, но и пылевато-глинистые частицы. Еще более неод­ нородны грунты другого образования.

В зависимости от соотношения в грунте частиц того или иного размера они разделяются на три группы: крулнообломочные, песча­ ные и пылевато-глинистые грунты.

Классификация первых двух груш грунтов приведена в табл. 1.2.

Содержание глинистых частиц в крупнообломочных и песчаных грунтах обычно не превышает 3%. Пылевато-глинистые грунты в зависимости от содержания в них глинистых частиц подразделяются на супеси — З...Ю%, суг­

22

выражения неоднородности крупно­ обломочных и песчаных грунтов ис­ пользуется показатель Си, называе­ мый степенью неоднородности:

меньше которых в данном грунте содержится (по массе) соответствен­ но 60 и 10% частиц.

Чем ближе степень неоднородно­ сти к единице, тем более однород­ ным по гранулометрическому соста­ ву является грунт. При Си>3 грунт называют неоднородным.

Скальные грунты, как и нескаль­ ные, также состоят из зерен минера­ лов и обломков горных пород. Од­ нако частицы в скальном грунте прочно спаяны или сцементированы между собой и образуют единое (в механическом смысле) тело. Правда, это тело обычно так или иначе рас­ сечено трещинами, т. е. имеет вто­ ричные ослабления. Поэтому с точ­ ки зрения инженерной геологии при

характеристике скальных грунтов обращают внимание не столько на их зернистость, сколько на трещиноватость. Более подробно этот вопрос рассматривается в § 1.5.

Размеры и форма частиц вполне характеризуют структуру грун­ та. Взаимное расположение частиц в грунте, его текстура определя­ ются условиями образования. Так, морские пески, уплотненные вибрационным воздействием штормовых волн, имеют значительно более высокую плотность, чем аллювиальные (речны е) или эоловые пески, которые отличаются рыхлым сложением.

Особое значение имеет текстура глинистых грунтов. Например, глинистые плоские по форме частицы могут образовывать текстур­ ные агрегаты, подобные «карточному домику» (рис. 1.7, а). Между частицами в этом случае имеются открытые ячейки размером от 2...3 до 10... 12мкм. Глинистые грунты с ячеистым сложением — наиболее рыхлые, сильносжимаемые (илы и илистые грунты). Те же частицы могут оказаться соединенными в агрегаты, подобные пачкам листов бумаги. Если эти агрегаты стыкуются между собой по типу «торец — плоскость», то они образуют текстуру типа «книжный домик» (рис. 1.7, 6). Если же они ориентируются параллельно и контактируют плоскими поверхностями, то образуется стопочная текстура, наибо­ лее плотная и прочная текстура глинистого грунта (рис. 1.7, в).

23

Текстура грунта зависит от условий его формирования и геоло­ гической истории, в ходе которой грунт претерпел различные преоб­ разования. Интересный пример представляют собой древние (про­ терозойские и кембрийские) глины, распространенные на северозападе Русской платформы. Они образовались в морских условиях. Их минеральный состав и зернистость весьма постоянны на боль­ ших площадях в Ленинградской, Новгородской, Вологодской об­ ластях. Под Санкт-Петербургом глины были перекрыты палеозойс­ кими отложениями мощностью до 350 м, которые создали давление до 7 МПа. Позже эти отложения были смыты, глины разрушены, а затем вновь нагружены ледником, который создал давление пред­ положительно до 9 МПа. После отступления ледника глины под тонким покровом четвертичных отложений находятся под нагруз­ кой 0.1...2 МПа. Рассматриваемые отложения под Санкт-Петербур­ гом (кембрийские глины) за сотни миллионов лет приобрели очень высокую плотность и малую влажность.

Те же отложения за то же время под Вологдой испытали значи­ тельно большие нагрузки от вышележащих пород. В мезозое давле­ ние на них составляло 40 МПа, в ледниковое время увеличилось до 50 МПа, а теперь вновь снизилось до 40 МПа. В результате глины здесь превратились в аргиллиты — плотную сланцеватую полу­ реальную породу.

Формирование песчаных и особенно пылевато-глинистых грун­ тов в ходе геологической истории сопровождается многократным изменением нагрузки (уплотнением, разуплотнением). Вследствие этого в настоящее время рядом при одной мощности залегания могут существовать рыхлые современные и плотные древние от­ ложения. Таковы, например, на территории Санкт-Петербурга (за­ легающие вблизи поверхности) сходные но составу илистые четвер­ тичные отложения и упомянутые выше кембрийские глины.

Таким образом, природные грунты могут быть переуплотнен­ ными, когда под влиянием существовавших ранее нагрузок они подвергались значительному уплотнению, а затем эти нагрузки были сняты; нормально уплотненными, когда нагрузка пример­ но соответствует плотности грунтов, и недоуплотненными, ког­ да их пористость намного больше, чем действующая от вышележа­ щих слоев грунта нагрузка.

Недоуплотненные грунты могут находиться в процессе постепен­ ного уплотнения (консолидации), например молодые водные осад­ ки, или в стабильном состоянии за счет высокой прочности струк­ турных связей между частицами — лёссовые грунты.

1А Структурные связи между частицами грунта

Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называют­ ся структурными связями.

По своей природе и по прочности они очень различны. Из-за

24

высокой прочности самих частиц именно связи между частицами определяют деформируемость и прочность грунтов. Громадное значение имеет то, что некоторые типы связей легко разрушаются при различных воздействиях на грунты в ходе строительства и эксп­ луатации сооружений. Вопрос о природе связей, способах их сохра­ нения и упрочнения является важнейшим вопросом грунтоведения.

Образование структурных связей — длительный процесс, разви­ вающийся на протяжении всей истории формирования и видоиз­ менения горной породы. Скальным грунтам присущи жесткие кри­ сталлизационны е связи, энергия которых соизмерима с внутрикристаллической энергией химической связи отдельных атомов. По­ этому блоки слаботрещиноватых скальных пород обладают очень высокой прочностью и малой деформируемостью. При разрушении кристаллизационные связи не восстанавливаются — блоки породы расчленяются трещинами на отдельные куски. Снижение прочности и увеличение деформируемости скальных грунтов в условиях естест­ венного залегания обусловлено прежде всего их трещиноватостью.

Нескальные грунты по характеру структурных связей разделя­ ются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к сыпу­ чим — крупнообломочные и песчаные грунты.

Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряжения, поэтому в них возможно существование вертикальных откосов небольшой высоты. Сыпучие грунты растягивающих на­ пряжений не воспринимают, и создание в них вертикальных откосов без укрепления невозможно.

Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грун­ тов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей и зацепления между неровностями этих поверхностей. Эти силы тем больше, чем менее окатаны зерна в грунте (рис. 1.8). Такой меха­

25

электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталки­ вания между частицами, а также частицами и ионами в норовой воде. Такие связи называются водно-коллоидными. Они и обус­ ловливают связность глинистых грунтов. Интенсивность этих связей зависит от расстояния между частицами, зарядов на их поверхности, состава и содержания ионов в поровой воде.

В слабо уплотненных водных осадках глинистых грунтов при большом расстоянии между частицами и при наличии свободной воды из-за сил молекулярного притяжения между твердыми тела­ ми-частицами возникают слабые структурные связи. Уплотнение грунта приводит к сближению частиц и усилению этих связей. При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами начинают проявляться отталкивающие силы одноименно заряженных поверх­ ностей частиц и диффузных слоев воды: интенсивность увеличения прочности связей уменьшается, и дальнейшее сближение частиц возможно только при затрате дополнительных усилий. Например, увеличение плотности грунта под нагрузкой или его высушивание, приводящее к выжиманию или испарению части слоев рыхлосвязан­ ной воды, вызовет дальнейшее повышение прочности связей. Одна­ ко большему сближению частиц и упрочнению связей все сильнее препятствуют возрастающие силы электрического отталкивания. Поэтому дальнейшее уплотнение грунта требует давлений, возра­ стающих до огромных значений.

Рассмотренные выше формы водно-коллоидных связей Н. Я. Денисов назвал первичным сцеплением. Необходимо отметить две важнейшие особенности этих связей: во-первых, прочность их сравнительно невелика, и, во-вторых, они восстанавливаются через некоторое время после разрушения. Альтернативными особенно­ стями обладают цементационные связи в грунте. Они возника­ ют в процессе диагенеза осадка, когда на поверхность частиц из норовых растворов отлагаются более или менее прочные и водостойкие гели оксидов кремния или железа либо прочные, но не водостойкие кристаллы гипса, кальцита, галита или других солей. Пленки срастаются в местах контакта частиц и обусловливают сцепление упрочнения. Цементационные связи хрупки. При раз­ рушении они не восстанавливаются или восстанавливаются лишь частично по прошествии очень длительного времени, соизмеримого со сроком службы сооружений. Разница между глинистыми грунта­ ми нарушенной и ненарушенной структуры и заключается, в частно­ сти, в том, что у первых оказываются разрушенными цементацион­ ные связи, придающие ненарушенным грунтам большую прочность.

В осадочных нескальных грунтах с течением времени под влия­ нием уплотнения от массы перекрывающей их толщи могут про­ изойти процессы удаления избыточной воды, кристаллизации кол­ лоидных и химических осажденных веществ, сопровождающиеся резким усилением цементационных связей и литификацией (окаме­ нением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные

26

грунты: крупнообломочные— в конгломераты, брекчии; песча­ ные — в песчаники; пылевато-глинистые — в алевролиты и аргил­ литы.

Особый интерес представляет для строителей вопрос о природе связей в так называемых структурно-неустойчивых грунтах. К ним относятся лёсс, засоленные, набухающие, вечномерзлые и другие грунты. Структурные связи между частицами в этих грунтах легко разрушаются при воздействиях, типичных для условий строительст­ ва. Особенности этих типов грунтов будут рассмотрены в § 2.4.

1.5. Трещины и их влияние на свойства грунтов

Трещины частой сетью разбивают скальные, плотные глинистые и даже некоторые песчаные грунты. Очевидно, что они существенно влияют на свойства грунта. По степени расчлененности трещинами удобно различать два крайних типа скальных грунтов (рис. 1.9):

монолитный грунт, в котором трещины если и есть, то не пересекаются (рис. 1.9, а);

разборны й грунт, в котором трещины образуют густую сеть, пересекаются и полностью разделяют обломки породы (рис. 1.9, в).

Между этими двумя крайними типами помещается переходный тип — трещ иноваты й скальный грунт (рис. 1.9, 6), в котором трещины частично пересекаются, но не полностью отчленяют блоки породы, а между монолитными блоками сохраняются мостики (целики) прочного скального грунта.

Скальный грунт, даже трещиноватый' и разборный, обладает

27

тактах. В скальном массиве зерна сцементированы и образуют плотные породы. Относительное их перемещение в породе исключа­ ется по крайней мере при напряжениях, обычных для промышлен­ ного и гражданского строительства. Перемещения в массиве воз­ можны только по трещинам, но и тут они сильно затруднены. Ширина трещин составляет сотые или тысячные доли от объема массива, поэтому даже частичное закрытие трещин при сжатии не ведет к заметной объемной деформации массива. Сдвиг по трещи­ нам возможен, но ему в определенной мере препятствует то, что вдоль трещины выступы одного блока, как правило, входят во впадины другого. Это определяет относительно высокую механи­ ческую прочность системы блоков.

Трещины в скальных грунтах могут быть частично или полно­ стью заняты нескальным грунтом. Присутствие глинистого грунта в трещинах сильно снижает прочность скального грунта, особенно при его обводнении. Деформируемость при этом практически не увеличивается.

На свойства скального грунта значительное влияние оказывает частота трещин. При расстоянии между трещинами 10 см и менее сеть трещин следует называть частой. Если трещины следуют через 10...100 см, это сеть средней частоты. При расположении трещин через 100 см и более сеть трещин считается редкой.

Положение каждой отдельной трещины в массиве скального грунта можно характеризовать следующими параметрами: углом падения /?, равным углу между плоскостью трещины и горизонталь­ ной плоскостью (измеряется на вертикальной плоскости); азимутом направления падения а — азимутом вертикальной плоскости, в кото­ рой измерен угол /?;шириной раскрытия трещины Ь;длиной трещин /.

В настоящее время установлено, что характеристика трещинова­ тости важна не только для скальных, но и для глинистых грунтов. Древние плотные глинистые грунты всегда имеют сеть трещин, по которым идет замачивание массива, отрыв и соскальзывание при оползнях. В связи с этим при изучении прочных глинистых грунтов типа морены и дочетвертичных морских глин нельзя пренебрегать их трещиноватостью.

Глава 2 ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ

ГРУНТОВ, СТРОЕНИЕ ОСНОВАНИЙ

2.1. Основные физические характеристики грунтов

Значение характеристик. Оценка каждой конкретной разновид­ ности грунта как физического тела производится с помощью ряда физических характеристик. Разнообразие состава, строения и состо-

28

яния грунтов делает неизбежным введение значительного числа таких характеристик. Некоторые из них непосредственно при­ меняются в расчетах оснований и грун­ товых сооружений, совокупность ряда ха­ рактеристик используется для классифи­ кации грунтов. Количественные показате­ ли одних характеристик всегда определя­ ются опытами, чаще всего с образцами грунта, других — расчетом по значениям определенных в опытах показателей.

Соответствие полученных таким обра­ зом характеристик состоянию грунта, за­ легающего в основании или составляюще­

го тело сооружения, является одним из важнейших условий точ­ ности инженерных прогнозов. Поэтому отбор образцов для опреде­ ления характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспор­ тировка их производятся так, чтобы полностью сохранить состоя­ ние грунта в естественных условиях залегания или в теле грунтового сооружения. Правила отбора, упаковки и транспортировки образ­ цов, а также методики определения их физических характеристик регламентируются действующими ГОСТами и изложены в соответ­ ствующих руководствах. Лабораторные занятия по определению физических характеристик грунтов являются неотъемлемой частью курса, поэтому методики определения характеристик здесь подроб­ но не рассматриваются.

Характеристики плотности, влажности и пористости грунта. Сле­ дуя рис. 1.2, представим себе некоторый объем V трехкомпонент­ ного грунта массой М, разделенный на отдельные компоненты, где V1, т1, V2, т2, Уъ, тъ— соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной компонент грунта (рис. 2.1). Тогда

V=V1 + V2+V3; М=т1+т2+т3=т1+т2, так как масса газооб­ разной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияния на результаты определений. Отметим также, что V2+ V3соответствует полному объему пор в грунте, частично занятому водой и частично газом. Теперь можно ввести определение важнейших физических характеристик грунта.

Плотность грунта (г/см3, т/м3) — отношение массы грунта к его объему:

Для определения плотности грунта обычно способом режущего кольца отбирается известный объем грунта или парафинируется образец нещрШльной формы, объем которого определяется по объему вытесняемой им воды. Затем с помощью взвешивания находят массу грунта без учета массы кольца или парафина.

При расчетах нагрузок на сооружения и напряжений от действия

29