книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

грунта, других — расчетом по значениям определенных в опытах показателей.

Соответствие полученных таким образом характеристик состоя­ нию грунта, залегающего в основании или составляющего тело сооружения, является одним из важнейших условий точности ин­ женерных прогнозов. Поэтому отбор образцов для определения характеристик исследуемого грунта, упаковка и транспортировка их производятся так, чтобы полностью сохранить состояние грунта в естественных условиях залегания или в теле грунтового сооруже­ ния. Правила отбора, упаковки и транспортировки образцов, а так­ же методики определения их физических характеристик регламен­ тируются ГОСТ 30416 — 96 и изложены в соответствующих руко­ водствах. Лабораторные занятия по определению физических хара­ ктеристик грунтов являются неотъемлемой частью курса; методики определения характеристик подробно-рассматриваются в специаль­ ных пособиях.

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 Vi, ти V2, т2, V3, т3— соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной компонент грунта (рис. 2.1). Тогда V= Vx+ + V2+ V3; M = m J+m2+m3=m l +m2, так как масса газообразной со­ ставляющей ничтожно мала и не оказывает влияния на результаты определений. Отметим также, что V2+ V 3 соответствует полному объему пор в грунте, частично занятому водой и частично газом. Теперь можно ввести определение важнейших физических харак­ теристик 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 неправильной 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 собственного веса необходимо переходить к значению удельного веса грун та (кН/м3)

32

Удельный вес сухого грунта (скелета грунта) получается аналогично зависимости (2.2):

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

Относительное содержание твердых частиц в единице

Величины л и т 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 т = р ^ р „ а учи­ тывая (2.9), л= 1 —Pd/Ps-

Коэффициент пористости грунта е равен отношению объ­ ема пор к объему твердых частиц е = п /т = п /(1 —л), откуда

е= (р * —рё)1рл или, учитывая формулу (2.6),

Из определения коэффициента пористости грунта можно полу­ чить

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 *яг классификационный показа­ тель.

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

Введем понятие влажности, соответствующей полному водона- сыщениюгрунта, т. е. случаю, когда все поры заполнены водой,—

Эта величина часто называется полной влагоемкостью грун та Масса воды, заполняющей все поры некоторого объема грунта V, будет равна m 2= n V p WJ где р щ— плотность воды. Масса

34

твердых частиц грунта в этом объеме mx—mVpt. Тогда, используя определение влажности и учитывая выражения (2.10), получим

где yw— удельный вес воды.

Степень влаж ности (степень водонасыщения) S, определяется как отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответ­ ствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкосги.

0 в случае абсолютно сухого грунта до 1 при ппднпм заполнении пор водой. Степень водонасыщения значительно сказывается на изменении свойств песчаных грунтов и используется как классифи­ кационный показатель.

Ниже уровня подземных вод частицы грунта испытывают взве­ шивающее действие воды. Тогда в единице объема грунта удель­ ный вес взвешенных частиц составит ys—yw. Поскольку их объем ти=1/(1+е), можно определить удельный вес грунта во взве­ шенном состоянии

Ъ*=(У,-У„)/(1+е). (2.14)

Характеристики консистенции глинистых грунтов. Свойства глинистых грунтов существенно изменяются в зависимости от их влажности. Сильно увлажненный глинистый грунт обладает способностью растекаться, при подсушивании он переходит в пла­ стичное 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 вла­ жности, называемые границей раскаты вания (нижний пре­ дел пластичности) wP и границей текучести (верхний предел пластичности) wL.

Для практического определения влажности, соответствующей нижнему пределу пластичности, грунтовое тесто увлажняют (или подсушивают) до такого состояния, чтобы при раскатывании его в шнур толщиной порядка 3 мм он начал распадаться на отдельные кусочки. Верхний предел пластичности соответствует такому состо­ янию влажности грунтового теста, когда стандартный конус погру­ жается в него на глубину 10 мм. Несмотря на то что способы

35

определения этих границ и сами границы весьма условны, точность определения величин Wp и вполне удовлетворительна.

Сравнение естественной влажности глинистого грунта с влаж­ ностью на границе текучести и границе раскатывания позволяет установить его состояние по консистенции (рис. 2.2). Для этого используют п оказатель текучести Д, являющийся важной клас­

а при wP<w <w L (0< Д < 1) — в пластичном состоянии.

Разница между границей текучести и границей раскатывания

Чем больше в грунте относительное содержание глинистых ча­ стиц, тем больше оказывается величина 1р.

В соответствии с ГОСТ 25100 — 95 по числу п ластичности определяю тся типы глинистого грунта: супесь — ОДК Д < <0,07, суглинок — 0,07<Д<0,17, глина — Д>0,17.

Поскольку песчаные грунты обычно не обладают способностью раскатываться в шнур или при малом содержании глинистых частиц

36

рактеристики будут рассматриваться в последующих главах учеб­ ника по мере необходимости.

Нормативные и расчетные значения физических характеристик. Грунтовая толща, как правило, неоднородна и состоит из инженер­ но-геологических элементов (слоев грунта). Но в пределах каждого элемента характеристики грунта не совсем постоянны, а изменчивы как случайные величины. Поэтому для того, чтобы указанные выше физические характеристики в среднем отражали свойства грунта слоя, из него должно быть отобрано достаточное для статистичес­ кой обработки результатов количество проб грунта. В ГОСТ 20522 — 96 приводятся рекомендации по выделению инженерно­ геологических элементов и способы статистической обработки ре­ зультатов определения характеристик.

Различают нормативные и расчетные значения физических ха­ рактеристик грунта.

Для определения н орм ати вн ой характеристики прежде все­ го находится среднее арифметическое значение результатов частных

где п — число определений характеристики (объем выборки); Х{— частные значения определяемой характеристики.

Далее проверяют, не содержатся ли среди частных определений Xi какие-либо данные с грубым отклонением от общей совокуп­ ности результатов. Исключению из общей выборки подлежат мак­ симальные или минимальные значения Xh для которых выполняется условие

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

(2л9)

Если такие отскоки отсутствуют, в качестве нормативной харак­ теристики принимают среднее арифметическое значение ХЖ=Х. Ес­ ли отскоки имеются, то эти значения исключаются из выборки, вновь определяется среднее арифметическое и вновь делается про­ верка на наличие отскоков. После такой чистки должно быть п^6.

Принятое таким образом нормативное значение характеристики из-за естественной неоднородности грунта и ограниченного

37

количества определений всегда на какую-то неопределенную вели­ чину отклоняется от истинного искомого значения (математичес­ кого ожидания). Следовательно, нормативное значение содержит некоторую погрешность. Чтобы снизить ее влияние на проект сооружения, в расчетах используются не нормативные, а так назы­ ваемые расчетные характеристики свойств грунтов.

Таблица 2.1. З а г а п сгвлспгкасого критерия v придвуспфмпейдакрпелмой веровтюстя в=0,95

Расчетная характеристика X определяется делением нор­ мативной характеристики Хл на коэффициент надежности по грун­

ту Уг

Для всех физических-характеристик, кроме плотности грунта, СНиП 2.02.01 — 83* допускает принимать у*=1. Коэффициент на­ дежности по грунту при вычислении расчетного значения плотности грунта устанавливается в зависимости от изменчивости этой ве­ личины, числа определений и значений доверительной вероятно­ сти. Общие правила определения коэффициента надежности по грунту изложены в § 4.6. Следует иметь В виду, что расчетное значение удельного веса грунта устанавливается по расчетному значению плотности грунта умножением ее на ускорение свободно-

2.2. Классификация грунтов

Классификация грунтов построена так, чтобы конкретизировать, сделать определенным и стандартным наименование и описание конкретного грунта. Это необходимо для обеспечения надежного взаимопонимания между специалистами — геологами, геотехника­ ми, проектировщиками и строителями. При этом в многомерном, непрерывном пространстве признаков, характеризующих сложный и многообразный комплекс природных и техногенных грунтовых образований, установлены классификационные границы, разделя­ ющие грунты на различные иерархические уровни (классы, группы,

38

подгруппы, типы, виды, разновидности). Поскольку в действитель­ ности признаки, характеризующие грунГы, не дискретны, а имеют плавные переходы, эти границы всегда условны. Поэтому в клас­ сификациях, разработанных в различных странах, а иногда и для различных видов деятельности (строительная, дорожная и другие классификации), могут иметь место некоторые несоответствия.

В отечественной классификации грунтов, установленной ГОСТ 25100 — 95, как это принято и в мировой классификации, на высшем иерархическом уровне выделяют класс высокопрочных природных скальных грунтов и относительно малопрочных природных дис­ персных грунтов. Кроме того, в отдельные классы выделяются природные мерзлые грунты, имеющие широкое распространение на территории России, и техногенные грунты (скальные, дисперсные, мерзлые — измененные физическим или химико-физическим воз­ действием человека). В каждом классе выделяются по характеру связей группы грунтов (в двух первых — скальные и полускальные, связные и сыпучи?). Далее, например дисперсные грунты по своему типу разделяются на минеральные (связные по виду — глинистые, несвязные — пески, крупнообломочные грунты), органоминераль­ ные (связные — илы, сапропеля и др.), органические (связные — торфы и др.). Дальнейшее разделение на разновидности произ­ водится по зерновому составу, числу пластичности, показателю текучести и т. д.

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмот­ ренных в § 2.1 характеристик грунтов. Во многих случаях обосно­ ванное отнесение конкретного грунта к определенному виду или разновидности позволяет установить ориентировочные показатели его строительных свойств, используемые в предварительных рас­ четах и для окончательных расчетов и проектирования простых сооружений.

Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100 — 95. Ниже дается упрощенная классификация важнейших грунтов. Дру­ гие будут рассмотрены в соответствующих разделах курса.

Классификация крупнообломочных грунтов. Наименование типа грунта устанавливается по относительному содержанию в общей массе частиц той или иной крупности в соответствии с табл. 12. При наличии в заполнителе крупнообломочного грунта (сре­ ди частиц, оставшихся после удаления фракций крупнее 2 мм) песчаных частиц более 40% от общей массы сухого грунта, пылева­ тых или глинистых частиц более 30% к наименованию крупнооб­ ломочного грунта дополняется наименование заполнителя (напри­ мер, гравийный грунт с песчаным, пылеватым или глинистым за­

полнителем).

В зависимости от степени влажности различают следующие разновидности крупнообломочных грунтов:

39

Классификация песчаных грушгов. Наименование песка устанав­ ливается по размеру частиц (табл. 2.2), плотности сложения, степени влажности, показателю неоднородности Си [см. формулу (1.1)]; при необходимости в наименовании отмечается минеральный состав и другие особенности. Наименование точно может быть установ­ лено только по лабораторным анализам. Оно может быть, напри­ мер, таким: песок мелкий, рыхлый, маловлажный, неоднородный, засоленный.

Т аб л и ц а 2.2. Разделение песков по коэффициенту пористости е.

Классификация глинистых грунтов. По числу пластичности [фор­ мула (2.16)] выделяются: супесь — 0,01<Д<0,07; суглинок — 0,07< /р ^ 0,17; глина — Д > 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 также но показа­ телю текучести Д:

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

Классификация скальных грунтов также производится с помо­ щью ГОСТ 25100 — 95. Типы и виды скальных грунтов выделяются по петрографическому составу слагающих их пород и по структур­ но-текстурным особенностям породы. В отличие от нескальных

40