книги / Механика грунтов

исторических условий их существования. Так, свойства природ­ ных глин могут быть весьма различны в зависимости от воз­ раста и всей предыдущей истории их существования. Например, кембрийские глины, возраст которых около 500 млн. лет, за столь длительный период несомненно подвергались воздей­ ствию переменного давления большой величины, частичным вы­ сыханиям и пр. Химические и физико-химические процессы, протекающие даже с ничтожно малыми скоростями и совер­ шенно неуловимые в относительно малые промежутки времени, могли сказаться в полной мере; чрезвычайно медленные вязкие течения за столь длительное время также могли существенно повлиять на структуру и текстуру этих глин. Все эти процессы обусловили совершенно особые свойства кембрийских глин, отличающие их от других видов глин. Как правило, эти глины представляют твердый упруго-вязкий материал со значитель­ ной величиной несущей способности. Другое дело, например,

озерах в период отступания ледников и в последующее время почти никаким нагрузкам (кроме собственного веса грунта) не подвергались. Эти глины малоуплотненные и находятся в пластичном и часто в текучем состоянии с незначительной не­ сущей способностью. Валунные глины и суглинки донной мо­ рены того же возраста, что и ленточные, но значительно уплот­ ненные в период своего формирования весом мощного ледни­ кового покрова, обладают значительной плотностью и могут служить прекрасным основанием для сооружений.

Современные морские, лагунные и озерные глинистые отло­ жения, как правило, еще менее уплотненные даже по сравне­ нию с ленточными глинами, зачастую находятся в набухше-те- кучем состоянии, обладая ничтожной несущей способностью.

В такой же резкой зависимости от условий происхождения находятся и пески; одни пески могут быть чрезвычайно уплот­ нены, другие— находятся в рыхлом и плывунном состоянии.

Таким образом, при изучении природных грунтов с учетом их взаимодействия с окружающей средой и непрерывной изме­ няемости свойств большое внимание следует уделять гене ­ зису их, т. е. происхождению и условиям образования, а также фациальности, т. е. физико-географической обстановке об­ разования грунтов. Существенное значение при формировании определенных свойств грунта имеет процесс диаге не з а, т. е. многовекового воздействия окружающей среды (уплотнение, цементация, выщелачивание и пр.). Явления диагенеза совмест­ но с тектоническими явлениями (главным образом опускание участков земной коры) могут создать условия, способствующие

изменению структуры и состава грунтов, а при соответствую­ щих давлениях и температуре приводят к явлениям ме т а мо р ­ физ ма, т. е. к полному видоизменению рыхлых горных по­ род путем цементации и перекристаллизации их минеральной части до состояния массивных горных пород.

Зависимость свойств грунтов от воздействий окружающей среды, их интенсивности, характера и продолжительности по­ казывает, что выбор расчетных схем в механике грунтов дол­ жны производить в соответствии с природной обстановкой, в ко­ торой находятся грунты, а определение расчетных характеристик грунтов, находящихся в условиях естественного залегания, —

нарушении их природной структуры.

§ 2. СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРУНТОВ Некоторые замечания

Рассматривая природные грунты как дисперсные тела вер­ хней части коры выветривания — литосферы, следует прежде всего отметить, что в условиях естественного залегания они представляют сложнейшую систему взаимодействующих между собой частиц, находящихся в тве рдом, ж и д к о м и г а з о ­ о б ра з но м состоянии.

Количественные соотношения составных элементов грунтов не остаются постоянными, а изменяются с той или иной скоро­ стью под влиянием внешних физико-геологических и механиче­ ских воздействий. Существенное значение здесь будут иметь соотношения между отдельными группами частиц и, особен­ но, количество мелких и мельчайших твердых частиц грунтов, наиболее активных, имеющих наибольшую удельную поверх­ ность. Такие строительные свойства грунтов, как их уплотняемость, устойчивость структуры, сопротивление внешним силам и пр., зависят не только от крупности частиц, но и от их мине­ ралогического состава, гидрофильности, наличия в грунтовой воде растворенных солей (главным образом сульфатов и кар­ бонатов кальция, замедляющих уплотнение осадков), а также от содержания органических включений, особенно коллои­ дальных.

Все это и обусловливает механическую неоднородность грун­ тов, особенно глинистых.

В общем случае грунт можно представить состоящим из трех компонентов: твердых минеральных частиц, как пра­ вило, занимающих большую часть объема грунта, жидких, частично или полностью заполняющих промежутки между твер-

М е х а н и ч е с к и й с о с т а в грунтов, т. е. количественное содержание в грунте того или иного размера твердых частиц, весьма разнообразен и определяется для крупных и средних фракций при помощи ситового анализа (просеиванием), а для мелких фракций (диаметром менее 0,05 мм) пипеточным ме­ тодом по скорости оседания частиц в спокойной воде1.

Рис. 1. Кривая однородности механического состава грунта

лиза грунтов. По горизонтальной оси откладывают логариф-

грунта и называется коэффициентом неоднородности. Чем больше этот коэффициент, тем грунт будет неоднороднее по составу; при коэффициенте неоднородности, меньшем 3, грунт считается однородным. Кроме того, кривая однородности позво­ ляет по масштабу определить процентное содержание любых фракций и диаметр частиц, соответствующих определенном) процентному содержанию в грунте.

1 О методах определения механического состава и физико-механически* свойств грунтов. См. А. М. В а с и л ь е в . Основы современной методики и техники лабораторных определений физических свойств грунтов. Госстройиздат, 1953. В. Д. Л о м т а д з е. Методы лабораторных исследований физико-

ной гигроскопичности. Максимальная гигроскопичность для раз­ личных грунтов имеет следующие значения: для песков — око­ ло 1%-, для пыли — до 7%,-для глины — до 17% от веса сухого вещества грунта.

Гигроскопическая вода может передвигаться в грунте, толь­ ко перейдя в парообразное состояние.

Пле но чна я вода по А. Ф. Лебедеву — это вода, удер­ живаемая в грунте молекулярным притяжением. Пленочная вода обволакивает частицы грунта и не может быть от них от­ делена ни давлением порядка десятков килограммов на 1 см2,

ни дренажем. Пленочная вода удаляется путем испарения лишь при высушивании грунта.

Влажность грунта, соответствующая максимальной толщине молекулярных пленок воды, по А. Ф. Лебедеву называется макс имальной м о л е к у л я р н о й в л а г о е мк о с т ь ю

г р у н т а .

На основании своих опытов проф. А. Ф. Лебедев пришел к заключению, что передвижение воды в пленочном состоянии возможно лишь при влажности, большей максимальной гигро­ скопичности и не превышающей максимальную молекулярную влагоемкость грунта; при этом вода перемещается от более влажных слоев к более сухим независимо от взаимного распо­ ложения слоев. Одной из основных причин перемещения воды в грунтах при неполном их насыщении следует считать молеку­ лярные силы притяжения водных пленок к поверхности грун­ товых частиц.

Количество молекулярно-связанной воды, содержащейся в данном грунте, и ее свойства существенно сказываются на фи­ зико-механических свойствах грунтов, о чем будет подробно сказано ниже.

Гра в ит а цио нна я вода — это вода с в о б о д н а я , не подверженная действию молекулярных сил притяжения к по­ верхности твердых частиц. На свойства и поведение гравитаци­ онной воды первостепенное влияние оказывают силы тяжести. К этой категории относят «подвешенные» (или капиллярные) и «текучие» (или собственно гравитационные) воды.

Ка пиллярна я вода — это вода, заполняющая частично или полностью поры грунта и имеющая поверхность, ограничен­ ную вогнутыми менисками. Уровень капиллярной воды в мелко­ дисперсных грунтах значительно выше уровня текучих грунто­ вых вод.

Выше уровня капиллярной воды поры грунта представляют собой сплошные воздушные ходы. В механике грунтов до не­ давнего времени-.часто принимали, что высота капиллярного поднятия обусловливается подъемной силой менисков воды.

Как показали новейшие исследования, поднятие капиллярной воды происходит за счет энергии гидратации ионов и молекул на пограничной поверхности твердой и жидкой фаз, при этом образование вогнутых менисков воды в промежутках между твердыми частицами грунта представляет собой в т о ри чн о е явление. Не вдаваясь в рассмотрение электрохимической природы капиллярности, отметим лишь, что результирующее действие капиллярных сил можно рассматривать как силы по­ верхностного натяжения менисков воды, удерживающих подня­ тый столб воды. При неполном насыщении грунта мениски воды образуются внутри грунта, при полном же насыщении — на по­ верхности уровня капиллярной воды.

В капиллярных трубках силы поверхностного натяжения воды (или так называемые капиллярные силы) зависят от кри-. визны ограничивающих воду поверхностей и могут достигать значительной величины.

Если, например, в широкий сосуд с водой опустить тонкую трубку из материала, смачиваемого водой, то, как известно из физики, уровень воды в трубке будет выше, чем в сосуде, вслед­ ствие явления волосности, или капиллярности. Сила капилляр­ ного натяжения воды, отнесенная к единице круглого попереч­ ного сечения капиллярной трубки, может быть определена по

меньше, т. е. при диаметре капилляра, примерно равном диамет­ ру зерен даже самого мелкого песка (й= 0,01 см), не говоря

уже о песках средних и крупных, сила капиллярного натяжения ничтожна и в инженерных расчетах может не учитываться. Иное дело, когда грунты тонкодисперсные, например глинистые, у которых могут быть весьма малые размеры капилляров и, следовательно, будет большое натяжение капиллярной воды. Так, при диаметре с? = 0,005 мм будет иметь #= 0,6 кг/см2, а при диаметре капилляра с? = 0,0002 мм натяжение будет равно #=15 кг!см2.

Приведенные примеры показывают, что для мелких грунто­ вых частиц (измеряемых микронами) капиллярное натяжение может иметь существенное значение.

Следует, однако, заметить, что в природных грунтах поры имеют лишь весьма отдаленное сходство с капиллярными труб-