книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

П ористость грунта определяется как отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта:

О тносительное содержание твердых частиц в единице объема грунта обозначают через т— VJV, тогда

Величины и и /и обычно выражаются в долях единицы, иногда в процентах. В большинстве случаев пористость нескальных грун­ тов колеблется от 0,3 до 0,5, но для лёссовых и илистых грунтов может достигать значительно более высоких значений.

Используя формулы (2.4) и (2.6), легко получить m=pj/ps, а учи­ тывая (2.9) —

Коэффициент пористости грунта е равен отношению объ­ ема пор к объему твердых частиц e=nlm=nl(l—n), откуда

Из определения коэффициента пористости грунта можно получить

Коэффициент пористости грунта является одной из важнейших характеристик и непосредственно используется в расчетах. Для песчаных грунтов коэффициент пористости с достаточной точно­ стью характеризует плотность их сложения (плотность взаимной упаковки частиц) и используется как классификационный показа­ тель.

Понятия «пористость» и «влажность» грунта определенным об­ разом связаны между собой.

Введем понятие влажности, соответствующей полному водонасыщению грунта, т. е. случаю, когда все поры заполнены водой,— wsat. Эта величина часто называется полной влагоем костью грунта.

Масса воды, заполняющей все поры некоторого объема грунта V, будет равна m2=nVpw, где pw— плотность воды. Масса твердых частиц грунта в этом объеме rnl =mVps. Тогда, используя определе­ ние влажности и учитывая выражения (2.11), получим

где yw— удельный вес воды.

Степень влаж ности (степень водонасыщения) Srопределяется

31

как отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответ­ ствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости.

Тогда, учитывая (2.13), можно записать

О в случае абсолютно сухого грунта до 1 при полном заполнении пор водой. Стенеш£§юдонасыщения значительно сказывается на изменении свойств песчаных грунтов и используется как классифи­ кационный показатель.

Характеристики консистенции глинистых грунтов. Свойства гли­ нистых грунтов существенно изменяются в зависимости от их влаж-, ности. Сильно увлажненный глинистый грунт обладает способно­ стью растекаться, при подсушивании он переходит в пластичное состояние, а при дальнейшем уменьшении влажности — в твердое.

По консистенции различают три состояния глинистого грун­ та: твердое, пластичное и текучее (рис. 2.2). Границами между этими состояниями являются характерные значения влажности, на­ зываемые границей раскаты вания (нижний предел пластично­ сти) wPи границей текучести (верхний предел пластичности) wL.

Для практического определения влажности, соответствующей нижнему пределу пластичности, грунтовое тесто увлажняют (или подсушивают)до такого состояния, чтобыприраскатыванииего в шнур толщиной порядка 3 мм он начал распадаться на отдельные кусочки. Верхнийпределпластичностисоответствуеттакому состояниювлажно­ сти грунтового теста, когда стандартный конус погружается в него на глубину 10мм. Несмотря на то что способы определения этих границ и самиграницывесьмаусловны, точность определениявеличин wPnwL

вполне удовлетворительна. Сравнение естественной влаж­

ности глинистого грунта с влаж­ ностью на границе текучести и границе раскатывания позволя­ ет установить его состояние по консистенции (рис. 2.2). Для это­ го используют показатель те­ кучести /х, являющийся важной классификационной характери­ стикой глинистых грунтов:

IL= (w -w P)l(wL~wP). (2.15)

32

ности результатов. Исключению из общей выборки подлежат мак­ симальные или минимальные значения Хь для которых выполняет­ ся условие

(2.18)

где v — статистический критерий, принимаемый по табл. 2.1; £& — смещенная оценка среднего квадратичного отклонения:

(2.19)

Таблица 2.1. Значения статистического кратерея

Если такие отскоки отсутствуют, в качестве нормативной харак­ теристики принимают среднее арифметическое значение Хв—Х. Ес­ ли отскоки имеются, то эти значения исключаются из общей выбор­ ки, вновь определяется среднее арифметическое и вновь делается проверка на наличие отскоков.

Принятое таким образом нормативное значение характеристики из-за естественной неоднородности грунта и ограниченного количе­ ства определений всегда на какую-то неопределенную величину отклоняется от истинного искомого значения (математического ожидания). Следовательно, нормативное значение содержит некото­ рую погрешность. Чтобы снизить ее влияние на проект сооружения, в расчетах используются не нормативные, а так называемые расчет­ ные характеристики свойств грунтов.

Расчетная характеристика X определяется; делением но­ рмативной характеристики Хи на коэффициент надежности по гру­ нту

(2.20)

Для всех физических характеристик, кроме плотности грунта, СНиП 2.02.01 — 83 допускает принимать у?=1. Коэффициент наде­ жности по грунту при вычислении расчетного значения плотности грунта устанавливается в зависимости от изменчивости этой вели­ чины, числа определений и значений доверительной вероятности. Общие правила определения коэффициента надежности по грунту изложены в § 4.6. Следует иметь в виду, что расчетное значение

34

удельного веса грунта устанавливается по расчетному значению плотности грунта умножением ее на ускорение свободного падения.

2.2. Классификация грунтов

Для того чтобы определить место каждого конкретного грунта среди большого многообразия природных и искусственных грунтов, разработана классификация грунтов (ГОСТ 25100-82). Все грунты по характеру структурных связей подразделяются на два класса: скаль­ ные и нескальные грунты. В пределах каждого класса грунты разделяются на группы по происхождению (магматические, метамор­ фические, осадочные сцементированные, искусственные — для скаль­ ных грунтов; осадочные несцементированные и искусственные — для нескальных грунтов). Каждая группа подразделяется по условиям образования на подгруппы. Например, магматические грунты разде­ ляются на глубинные и излившиеся; осадочные сцементированные — на обломочные, биохимические и химические. Среди несцементиро­ ванных грунтов выделяются крупнообломочные, песчаные, пылева­ тые и глинистые, биогенные, почвы и т. п. Дальнейшее подразделение производится по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени его неоднородности, числу пластично­ сти — на типы грунтов: (например, песок гравелистый, песок круп­ ный и т.п .— для песчаных грунтов; супесь, суглинок, глина — для глинистых грунтов и т. д.). В пределах каждого типа по структуре и текстуре, а иногда по составу примесей грунты разделяются на виды (например, для песка крупного — плотный, средней плотности, рыхлый; для супеси, суглинка и глины — щебенистые, дресвяные, без примеси органики или с примесью органики и т. д.). И наконец, в пределах каждого вида по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию выделяются разновидности грунтов (например, песок крупный, влажный или насыщенный водой, засоленный и т. п.; суглинок щебенистый, тугопластичный и т. п.).

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмотрен­ ных в § 2.1 характеристик грунтов. Во многих случаях обоснованное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновид­ ности позволяет установить ориентировочные показатели его стро­ ительных свойств, используемые в предварительных расчетах. В хо­ рошо изученных районах найденные путем классификации показа­ тели часто оказываются достаточными для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений.

Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-82. Ниже дается упрощенная классификация крупнообломочных, песча­ ных и пылевато-глинистых грунтов, используемая в строительстве. Более подробные признаки выделения некоторых разновидностей будут рассмотрены в соответствующих разделах курса.

Класссифякацня крупиообломочных грунтов. Наименование типа

35

грунта устанавливается по относительному содержанию в общей массе частиц той или иной крупности в соответствии с табл. 1.2. При наличии в заполнителе крупнообломочного грунта (среди ча­ стиц, оставшихся после удаления фракций крупнее 2 мм) песчаных частиц более 40% от общей массы сухого грунта, пылеватых или глинистых частиц более 30% к наименованию крупнообломочного грунта дополняется наименование заполнителя (например, гравий­ ный грунт с песчаным, пылеватым или глинистым заполнителем).

В зависимости от степени влажности различают следующие разновидности крупнообломочных грунтов:

Классификация песчаных грунтов. Тип песчаного грунта также устанавливается по размеру частиц (см. табл. 1.2). При необходимо­ сти учитывается степень неоднородности грунта Си.

Вид песчаного грунта устаиваливается по плотности сложения, характеризуемой коэффициентом пористости (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Характеристика вида песчаных грунтов

Разновидность песчаного грунта устанавливается по степени влажности так же, как для крупнообломочных грунтов.

Классификация шллевато-глинистых грунтов. По числу пластич­ ности [формула (2.16)] выделяются три типа глинистых грунтов: супесь — 0,01 < /Р<0,07; суглинок — 0,07 < /Р^0,17; глина —

— /Р>0,17. Если в массе глинистого грунта содержится 15...25% крупнообломочных частиц, к наименованию грунта добавляется наименование этих частиц (например, суглинок со щебнем, супесь с гравием). При содержании таких частиц от 25 до 50% название грунта меняется: суглинок щебенистый, супесь гравелистая и т. д.

Разновидность глинистого грунта определяют по показателю текучести IL:

36

Иногда к характеристике глинистого грунта добавляется и зна­ чение коэффициента пористости.

Классификация скальных грунтов также производится с помо­ щью ГОСТ 25100-82. Типы скальных грунтов выделяются по петро­ графическому составу слагающих их пород, вид — по структурно­ текстурным особенностям данной породы. В отличие от нескальных грунтов в качестве основной характеристики разновидности скаль­ ных грунтов ГОСТ принимает предел прочности на одноосное сжатие образцов в водонасыщенном состоянии 2^ (МПа). Различа­ ют скальные грунты:

Скальные грунты при Д .<5 МПа обычно называют полускальными.

В инженерной практике часто используют обобщенные харак­ теристики трещиноватости скальных пород: КТП — коэффициент трещинной пустотности, М-^ — модуль трещиноватости. Коэффи­ циентом трещинной пустотности называют отношение объема трещин к объему скальных блоков. Формально эта характеристика аналогична пористости п нескальных грунтов. Но если в обычных условиях для нескальных грунтов п колеблется от 0,3 до 0,5, то для скальных грунтов КТП составляет сотые и даже тысячные доли единицы, достигая в исключительных случаях значения 0,1...0,15. Модуль трещиноватости — это количество трещин на 1 м длины обнажения скального грунта. Максимальные значения этого показа­ теля приближаются к 100, минимальные составляют доли единицы.

С использованием этих показателей разработаны различные способы классификации трещиноватых скальных пород.

2.3. О связи физических и механических характеристик грунтов

Классификация грунтов дозволяет не только определить данный грунт, т. е. выделить его среди многообразия других грунтов, но

ичасто установить ориентировочные значения его прочностных

идеформационных характеристик. Действительно, прочность и де­

формируемость грунтов непосредственно связаны с их физическими свойствами и состоянием. Например, увеличение пористости песча­ ного или пылевато-глинистого грунта (увеличение коэффициента пористосш) при прочих равных условиях непременно новлечет за собой снижение его прочности и повышение деформируемости. Соответственно увеличение влажности (показателя консистенции) глинистого грунта, также при прочих равных условиях, приведет к снижению его прочности и повышению деформируемости. Следо­

37

2А. Геологическое строение оснований

Сооружение редко располагается на каком-либо одном грунте. Обычно в основании оказывается несколько типов грунтов. Тогда кроме оценки свойств каждого грунта возникает не менее важная задача — схематизация геологического строения основания, т. е. выделение внутренне однородных объемов разных грунтов и прове­ дение границ между ними. Эта задача подробно рассматривается в курсе инженерной геологии. Здесь же остановимся лишь на неко­ торых принципиальных вопросах.

По предложению Н. В. Коломенского однородные части в гео­ логической среде называют инж енерно-геологическими эле­ ментами. Однородность элемента рассматривается как статисти­ ческое понятие, т. е. принимается, что характеристики грунта в его границах изменяются случайно, причем величина изменения этих характеристик не должна превышать определенных пределов. Обы­ чно выделение инженерно-геологических элементов основания про­ изводится по данным анализа характеристик физико-механических свойств грунтов. Тогда приведенные выше понятия нормативных и расчетных характеристик в среднем определяют свойства грунта

вграницах выделенного инженерно-геологического элемента.

'Практически при проведении границ между инженерно-геологи-

дескими элементами сначала строят геологическую гипотезу о рас­ членении грунтовой толщи. При этом, во-первых, проводят гра­ ницы между грунтами разного происхождения, во-вторых, между грунтами различного наименования внутри каждого возрастного комплекса и, в-третьих, между грунтами различного состояния. Схематизация геологического строения основания является слож­ ной инженерно-геологической задачей, от правильного решения ко­ торой во многом зависит достоверность последующих расчетов, а следовательно, и судьба сооружения.

Форма и размеры геологических тел в основании сооружений. Инженерно-геологические элементы формируют в массиве грунтов геологические тела (рис. 2.3). Самой распространенной формой

39

залегания осадочных горных пород, т. е. всех нескальных и части скальных грунтов, яв­ ляется слой. Слоем называ­ ют внутренне однородное геологическое тело, ограни­ ченное в пределах рассматри­ ваемой области двумя непересекающимися поверхностями: подошвой и кровлей.

Расстояние .между этими поверхностями называют мо­ щностью слоя. Часто подо­ шва и кровля горизонтальны, плоски и практически парал­ лельны, как показано для слоя 4 на рис. 2.3. Это харак­ терно для морских, озерных и . некоторых других отложе­ ний. В континентальных от­ ложениях мощность слоя обычно меняется (слой 1 на рис. 2.3).

Внутри слоя залегает грунт одного наименования, но не обязательно одного состояния. Например, часть сдоя суглинка может находиться в мерзлом, часть— в талом состоянии; часть слоя песка — в водонасыщенном, а часть — во влажном или маловлажном состоянии и т. и. Положе­ ние границы между грунтами различного состояния может менять­ ся со временем в естественных условиях и тем более после освоения территории. Границы же слоев значительно более устойчивы. Хотя выветривание и некоторые техногенные воздействия на грунты спо­ собны изменить их состав настолько, что с течением времени изме­ няется наименование грунта, а с ним и положение границы слоя.

Слой скальных грунтов 6, подстилающий толщу нескальных, в строительной практике часто называют коренной породой.

Линзой называют внутренне однородное геологическое тело, ограниченное в пределах рассматриваемой области замкнутой пове­ рхностью (3 на рис. 2.3).

Из определения следует, что мощность линзы меняется от неко­ торого максимального значения до нуля. Линзы, как и спои, рас­ полагаются горизонтально или слабо наклонно. В отдельных случа­ ях слой и линзы могут быть смяты в складки, что свидетельствует о прошедших в прежние времена пластических деформациях Мас­ сива.

В определениях слоя и линзы использовалось понятие «рассмат­ риваемой области». Можно следующим образом определить это

40