Строительная классификация грунтов. Методы определения характеристик деформируемости и прочности грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Грунты

1. Строительная классификация грунтов

Грунт - совокупность обломочных и рыхлых горных пород современной земной коры выветривания, которые залегают под почвами. С точки зрения строительства грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения. Термин «грунт» широко применяют в строительстве, заменяя более широкий термин «горная порода», который используется в геологии, географии, горном и геологоразведочном деле.

* Горной породой называют закономерно построенную совокупность минералов, которая характеризуется составом, структурой и текстурой. Под составом подразумевают перечень минералов, составляющих породу. Структура - это размер, форма и количественное соотношение слагающих породу частиц. Текстура - пространственное расположение элементов грунта, определяющее его строение.

* Основанием называют толщу грунтов, на которой возводится сооружение.

В соответствии с ГОСТ 25100-82 «Грунты. Классификация» грунты подразделяются на два класса:

А) скальные грунты (с жесткими связями);

В) нескальные грунты (без жестких связей).

Скальные грунты делятся на 4 группы по генетическому признаку:

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

· Метаморфические горные породы. Они образуются в недрах из осадочных, магматических или метаморфических пород путем их перекристаллизации под воздействием высоких давлений и температур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные метаморфические горные породы - сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

· Осадочные горные породы. Образуются в результате выветривания, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от степени упрочнения различают сцементированные (песчаники, доломиты, алевролиты и т.п.) и несцементированные (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лёссы, или торфы, почвы и т.п.). Именно сцементированные осадочные горные породы относятся к скальным грунтам.

· Искусственные (преобразованные в природном залегании). К искусственным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные материалами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т.п.).

Нескальные грунты разделяются на группы осадочных (несцементированные) и искусственных грунтов. Группа осадочных грунтов включает следующие подгруппы:

· крупнообломочные - несцементированные грунты, содержащие более 50% массы обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм;

· песчаные - сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% массы частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (грунт не раскатывается в шнур диаметром 3 мм, его число пластичности );

· пылевато-глинистые - связные грунты, для которых число пластичности ;

· биогенные - грунты с относительным содержанием органического вещества ;

· почвы - природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием.

К нескальным искусственным грунтам относятся грунты, уплотненные в природном залегании путем механического воздействия (трамбование, укатка, вибрации, врыв и т.п.), а также насыпные и намывные грунты, а также промышленные отходы (шлаки, золы и т.п.).

2. Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из трех компонент: твердой, жидкой и газообразной. Иногда в грунте выделяют биоту - живое вещество. Это оправдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воздействие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бактерий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, поэтому грунт рассматривают как трехкомпонентную систему.

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в постоянном взаимодействии, которое активизируется в результате строительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооружений, т.е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глубинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух и даже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты в составе грунта может встретиться твердая и газообразная компоненты либо только твердая, если все пространство между частицами 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 грунтовой массой. Газ в условиях высокого гидростатического давления полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минералов с различными свойствами. Часть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Большое влияние на свойства грунтов оказывают растворимые в воде минералы. К ним относятся, например, галит, гипс, кальциты.

Глинистые минералы нерастворимы в воде, но в силу чрезвычайно малых размеров кристаллов глинистые минералы обладают высокой коллоидной активностью. К ним относятся каолинит, монтмориллонит, иллит и другие минералы, кристаллы которых имеют выраженное свойство гидрофильности.

Органическое вещество в грунтах у поверхности земли находится в виде микроорганизмов, корней растений и гумуса, а в глубоких горизонтах - в виде нефти, бурового и каменного угля. Гумус образуется при отмирании растений и организмов.

*Гумус - специфическое органическое вещество, в котором большую роль играют высокомолекулярные органические кислоты, находящиеся в коллоидном состоянии. Считается, что гумус увеличивает «глинистость» грунта. Его коллоидная активность выше, чем даже глинистых минералов.

Жидкая составляющая грунтов. Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. В грунте различают кристаллизационную, или химически связанную, связанную и свободную воду. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составляющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

Кристаллизационная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта.

Вода, заполняющая поры грунта (поровая вода), может растворять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. По мере удаления от частиц грунта различают: прочно связанную, рыхло связанную и свободную воду. Прочно связанная вода имеет повышенную вязкость, не замерзает при температуре до - 1000С. Ее плотность достигает 1,2…2,4 г/см3. Рыхло связанная вода, как и прочно связанная испытывает силу притяжения, но у рыхло связанной воды сила гораздо меньше. Свободная вода в грунте не испытывает силу притяжения. Она подчиняется законам гидравлики, т.е. передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную и капиллярную. Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах.

Предельная высота капиллярного поднятия в некоторых типах грунтов может составлять (по А.М. Овчинникову): песок крупный - 3,5 см; песок средний - 35 см; песок мелкий - 120 см; супесь - 350 см; суглинок - 650 см.

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 газами. 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.

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 растворенного 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.

3. Форма, размеры и взаимное расположение частиц в грунте

Совокупность твердых частиц, состоящих из минерального вещества, образует каркас - скелет грунта. Поровая вода и газ как сплошная среда располагаются в порах и трещинах между частицами. Форма частиц может быть угловатой и округлой. Угловатая 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).

Природные грунты состоят из совокупности частиц разного размера. В зависимости от соотношения в грунте частиц того или иного размера они разделяются на три группы: крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые грунты. 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 - 3…10%, суглинки - 10…30%, глины - более 30%.

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

Особое значение имеет текстура глинистых грунтов. Глинистые грунты с ячеистым сложением - наиболее рыхлые, сильносжимаемые (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». Если же они ориентируются параллельно и контактируют плоскими поверхностями, то образуется стопочная текстура, наиболее плотная и прочная текстура глинистого грунта.

Природные грунты могут быть переуплотненными, когда под влиянием существующих ранее нагрузок они подвергались значительному уплотнению, а затем эти нагрузки были сняты; нормально уплотненными, когда нагрузка примерно соответствует плотности грунтов, и недоуплотненными, когда их плотность намного больше, чем действующая от вышележащих слоев грунта нагрузка.

4. Структурные связи между частицами грунта

Связи между частицами и агрегатами частиц в грунте называются структурными связями. Образование структурных связей - длительный процесс, развивающийся на протяжении всей истории формирования и видоизменения горной породы. Скальным грунтам присущи жесткие кристаллизационные связи. Нескальные грунты по характеру структурных связей разделяются на связные и несвязные (сыпучие). К связным относятся пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки, глины); к сыпучим - крупнообломочные и песчаные грунты.

Связные грунты способны воспринимать малые растягивающие напряжения, сыпучие грунты растягивающих напряжений не воспринимают. Сопротивление взаимному перемещению частиц сыпучих грунтов обусловливается силами трения соприкасающихся поверхностей и силами зацепления между неровностями этих поверхностей. Эти силы тем больше, чем менее окатаны зерна в грунте. Такой механизм связи между частицами сыпучих грунтов называют внутренним трением грунта.

Структурные связи в глинистых грунтах имеют значительно более сложную природу и определяются электромолекулярными силами взаимного притяжения и отталкивания между частицами, а также частицами и ионами в поровой воде. Такие связи называются водно-коллоидными. Интенсивность этих сил зависит от расстояния между частицами, зарядов на их поверхности, состава и содержания ионов в поровой воде.

*Особый интерес представляет для строителей вопрос о природе связей в так называемых структурно-неустойчивых грунтах. К ним относятся лёсс, засоленные, набухающие, вечномерзлые грунты. Структурные связи между частицами в этих грунтах легко разрушаются при воздействиях, типичных для условий строительства.

Методы определения характеристик деформируемости и прочности грунтов

1. Полевые испытания пробной статической нагрузкой

Полевые испытания пробной статической нагрузкой используются для определения как деформационных, так и прочностных характеристик в тех случаях, когда оказывается трудно или даже невозможно отобрать образцы грунта без нарушения их природного состояния. Кроме того, полевые испытания являются основным методом исследования трещиноватых скальных грунтов.

Испытания пробной статической нагрузкой для определения модуля деформации грунтов проводятся в шурфах или скважинах инвентарными жесткими штампами в первом случае площадью 5000…10000 см2, во втором - 600 см2.

а) б)

Рис. 9.1. Схема (а) и результаты (б) полевых испытаний грунта на сжатие

Схема опыта показана на рис. 9.1, а. На дно шурфа, или скважины 1 устанавливается плотно притертый к основанию штамп 2, соединенный стойкой 3 с нагрузочной платформой 4. К платформе прикладывается возрастающая ступенями нагрузка 5 ( в производственных условиях часто создается фундаментными блоками). Зная давление , создаваемое в основании штампа нагрузкой, и измеряя стабилизированную осадку от каждой ступени, можно построить опытную зависимость , показанную на рис. 9.1,б. Начальный участок этой кривой соответствует модели линейного деформирования грунта. Тогда модуль деформации грунта определяется по формуле

, (9.1)

где - коэффициент, зависящий от формы жесткого штампа и принимаемый для круглого штампа равным 0,78; для квадратного - 0,88; - ширина или диаметр штампа; - коэффициент Пуассона грунта; , - давление и осадка штампа в пределах линейной зависимости кривой на рис. 9.1, б.

Модуль деформации изотропных грунтов можно определять с помощью прессиометра. В результате испытаний получают график зависимости приращения радиуса скважины от давления на ее стенки. Модуль деформации определяют на линейном участоке и вычисляют по формуле , где - коэффициент, принимаемый равным 3 при глубине , 2 при глубине и 1,5 при глубине ; - начальный радиус скважины; - приращение радиуса, соответствующее .

2. Определение прочностных характеристик в полевых условиях

Испытания проводятся в шурфах, котлованах и других выработках. Для получения характеристик и определяют сопротивление срезу не менее чем трех целиков при различных вертикальных нагрузках.

Рис. 9.2. Схемы испытаний грунта в скважинах на срез:

а - кольцевой; б - поступательный; в - вращательный крыльчаткой:

1 - лопасти; 2 - распорные штампы; 3 - скважины; 4 - штанги; 5 - устройства для создания и измерения усилия

Схемы испытаний принимаются те же, что и в лабораторных условиях. Значения и находят на основе построения зависимости сопротивления срезу грунта от нормального напряжения .

Полевое определение характеристик и в стенах буровой скважины проводится методами кольцевого и поступательного срезов. Схемы испытаний приведены на рис. 9.2. Эти методы применяются для испытаний грунтов на глубинах до 10 м (кольцевой срез) и до 20 м (поступательный срез). В методе кольцевого среза используется распорный штамп с продольными лопастями, в методе поступательного среза - с поперечными лопастями. С помощью распорного штампа лопасти вдавливаются в стенки скважины, и создается нормальное давление на стенки. В методе кольцевого среза грунт срезается вследствие приложения крутящего момента, а в методе поступательного среза - выдергивающей силы. Для получения характеристик и необходимо провести не менее трех срезов при различных нормальных давлениях на стенки скважины и построить зависимость .

Метод вращательного среза с помощью крыльчатки, вдавливаемой в массив грунта или в забой буровой скважины (см. рис. 9.2, б), позволяет определить сопротивление срезу , поэтому его рекомендуется применять при слабых пылевато-глинистых грунтах, илах, заторфованных грунтах и торфах, так как для них угол внутреннего трения практически равен нулю и можно принять . Испытания крыльчаткой проводят на глубинах до 20 м.

Для определения характеристик прочности в полевых условиях применяют методы выпирания и обрушения грунта в горных выработках. Значения и вычисляют из условий предельного равновесия выпираемого и обрушаемого массива грунта.

Для определения удельного сцепления связных грунтов в полевых условиях широко используется в практике изысканий метод шариковой пробы.

Сущность метода заключается в том, что с помощью шарика диаметром на грунт передается усилие и измеряется осадка штампа (рис. 9.3). Тогда сцепление можно определить по формуле

. (9.2)

При проведении испытаний необходимо, чтобы отношение осадки штампа к его диаметру находилось в пределах .

а) б)

Рис. 9.3. Схема испытаний шариковым штампом (а)

и кривая длительной прочности грунта (б)

грунт прочность сдвиг механический

Полученное таким образом значение сцепления соответствует определенному в сдвиговых испытаниях для вязких очень малоуплотняющихся грунтов при (жирные глинистые грунты, мерзлые грунты и т.п.). При большем значении угла внутреннего трения грунта рекомендуется в правую часть формулы (9.2) вводить понижающий коэффициент . Так, например, при ; при ; при .

Метод шариковой пробы удобен для определения изменения прочностных свойств грунтов в зависимости от времени действия нагрузки. Поскольку осадка с течением времени увеличивается, в соответствии с формулой (9.2) шариковое сцепление будет уменьшаться. Это позволяет ввести понятия мгновенной прочности , прочности , соответствующей некоторому времени , и предела длительной прочности , к которому будет стремиться сцепление при очень продолжительном времени действия нагрузки.

Деформационные и прочностные характеристики грунтов могут быть определены с помощью статического и динамического зондирования. Зондирование основано на определении сопротивления погружению в грунт наконечника-зонда на глубину, превышающую его размеры.

Статическое зондирование заключается в медленном задавливании в грунт с помощью домкратов стандартного зонда - конического наконечника с углом при вершине 600.

В простейшем случае измеряют удельное сопротивление погружению конуса зонда и строят график изменения этой величины по глубине исследуемой толщи грунта. Зная величину можно определить модуль деформации:

· для пылевато-глинистых грунтов ;

· для песчаных грунтов .

Характеристики сопротивления сдвигу пылевато-глинистых грунтов по данным статического зондирования определяют по эмпирическим формулам:

; .

Динамическое зондирование производится путем забивки или ударно-вращательного погружения в грунт зонда из колонки штанг с коническим наконечником. При этом определяется показатель зондирования , равный числу ударов, необходимых для погружения зонда на 10 см. Результаты отображаются на графике. Зная из опыта величину , удельную энергию зондирования, зависящую от параметров установки, и ряд коэффициентов, учитывающих динамический процесс зондирования, можно определить динамическое сопротивление грунта . В свою очередь, величина позволяет судить о плотности песчаных грунтов, значениях их прочностных и деформационных показателей, а также об ориентировочном значении модуля деформации суглинков и глин.

Библиографический список

грунт прочность сдвиг механический

1. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. - Л.: Стройиздат, 1975.

2. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. - М.: Стройиздат, 1986.

3. СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. - М.: Стройиздат, 1983.

4. Хило Е.П., Попович Б.С. Усиление железобетонных конструкций с изменением расчетной схемы и напряженного состояния. - Львов: Высш. школа, 1976.

5. Ануфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1965.

6. Гильман Я.Д., Гильман Е.Д. Усиление и восстановление зданий на лессовидных просадочных грунтах. - М.: Стройиздат, 1989.

7. Далматов Б.И., Бронин Б.Н. и др. Особенности устройства фундаментов на пылевато-глинистых грунтах в условиях реконструкции // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1986. № 5. С.16.

8. Кутуков В.Н. Реконструкция зданий. - М.: Высш. школа, 1981.

9. Соколов В.К. Реконструкция жилых зданий. - М.: Московский рабочий, 1982.

10. Ануфриев Н.М. Исправление дефектов изготовления и монтажа сборных железобетонных конструкций промышленных зданий. - Л. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.

11. Рекомендации по восстановлению и усилению полносборных зданий и полимеррастворами. - М.: Стройиздат, 1990.

12. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1989.

13. Рекомендации по обеспечению надежности и долговечности железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений при их реконструкции и восстановлении. - М.: Стройиздат, 1990.

14. Правила оценки физического износа жилых зданий. ВСН 53-86 (р). - М.: Гражданстрой, 1988.

15. Комиссарчик Р.Г. Методы технического обследования ремонтируемых зданий. - М.: Стройиздат, 1975.

16. Швецов Г.И., Носков И.В. и др. Справочник: Основания и фундаменты. - М.: Высш. школа, 1991.

17. Альбрехт Р. Дефекты и повреждения строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1979.

18. Анпилов В.Е. Формирование и прогноз режима грунтовых вод на застраиваемых территориях. - М.: Недра, 1984.

19. Покровский В.М. Гидроизоляционные работы: Справочник строителя. - М.: Стройиздат, 1985.

20. СНиП П-23-81. Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1982.

21. Попов Г.Т., Бурак Л.Я. Техническая экспертиза жилых зданий старой постройки. - Л.: Стройиздат, 1986.

22. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984.

23. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции. В 2-х ч. Ч. 2. - М.: Высшая школа, 1989.

Размещено на Allbest.ru