Основы грунтоведения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Объект и предмет грунтоведения

Грунтоведение -- наука о грунтах, «научное направление инженерной геологии, исследующее состав, состояние, строение и свойства грунтов и сложенных ими грунтовых толщ (тел или массивов), закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием современных и прогнозируемых геологических процессов, формирующихся в ходе развития земной коры под влиянием совокупности всех природных факторов и в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной деятельностью человечества».

Объектом изучения грунтоведения являются любые горные породы, почвы, осадки, искусственные геологические образования, рассматриваемые как грунты, и слагаемые ими грунтовые толщи (массивы) верхней части разреза земной коры.

Предметом исследования грунтоведения являются знания о грунтах, их составе, состоянии, строении и свойствах, закономерностях их формирования и пространственно-временного изменения.

Грунтами называют все рыхлые горные породы каменной оболочки Земли - несвязные (сыпучие) и связные (глинистые), прочность связей которых во много раз меньше прочности самих частиц.

Грунты могут служить: основанием зданий и сооружений; средой для размещения в них сооружений (труб, подземных сооружений, тоннелей и др.); материалом для сооружений (насыпи, земляные плотины, сырье для изготовления стройматериалов) Также грунт - собирательное название горных пород (включая почвы), залегающих преимущественно в зоне выветривания земной коры и являющихся объектом инженерностроительной деятельности человека.

2. Состав и строение грунта

Состав, структура и состояние грунтов характеризуются такими показателями, как плотность, влажность, пористость, пределы и число пластичности, показатель текучести и др. Во взаимосвязи с характеристиками структуры и структурных связей (водноколлоидные или цементационные) они используются в классификациях, по которым составляется общее представление о грунте, о таких его свойствах, как прочность и сжимаемость, водопоглощение и водоотдача, водопроницаемость, усадка и набухание, размокание и липкость и др. Количественно прочность характеризуется зависимостями сопротивления сдвигу и деформаций от напряженного состояния грунта. Грунтоведение устанавливает обусловленность показателей прочности и сжимаемости (внутреннее трение, сцепление, модуль деформации и др.) генетическим типом, составом и строением грунта.

2.1 Состав грунтов

Грунты состоят из: твердых частиц; воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта); газов (в том числе и воздуха).

Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами (минеральными и органическими). Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов. Структура, текстура и структурные связи грунта. Следует различать структуру грунта, т. е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними и текстуру грунта, т. е. сложение грунта в массиве.

Под структурой грунта понимается размер, форма и количественное (процентное) соотношение слагающих грунт частиц.

Под текстурой грунта понимается пространственное расположение элементов грунта с разными составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания.

Свойства твердых частиц.

Для твердых частиц главное значение имеют минеральный и гранулометрический составы.

Твердая минеральная масса состоит из первичных зерен скелета грунта (обломков горных пород и минералов) и вторичных частиц, служащих цементирующим веществом грунта. Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров (крупности).

Диапазон изменения крупности частиц грунтов значительный. Частицы, близкие по крупности, объединяют в определенные группы, называемые гранулометрическими фракциями (или просто фракциями). Грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное содержание в грунте по массе фракции определяет зерновой (гранулометрический) состав грунта.

Свойства воды.

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, физически связанную, или пленочную (характерна для пылевато-глинистых грунтов) 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. Этот тип воды практически не извлекаем из грунта и не добавляем в грунт.

Физически связанная вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Это объясняется взаимодействием молекул воды вследствие наличия электро-молекулярных сил с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта. Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц, и ее часто называют пленочной. Данная вода является связанной, и она трудно извлекается из грунта и добавляется в грунт. 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, глинистых грунтах. Легко извлекается из грунта и добавляется в грунт.

Свойства газа.

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.

2.2 Структура грунта

· Зернистая

· Слоистая

· Сотообразная

· Порфировидная

· Хлопьевидная

· Слитная (однородная)

Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на жесткие (кристаллизационные) связи и пластичные, вязкие связи (водноколлоидные). Жесткие связи более характерны для скальных грунтов, пластичные связи, главным образом, - для глинистых грунтов.

Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нерастворимыми. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водноколлоидные связи.

3. Основные понятия и виды грунтов

грунтоведение междучастичный скальный глинистый

Грунт скальный - грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

Грунт полускальный - грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.

Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие ( ? 5 Rc МПа - скальные грунты, < 5 Rc МПа - полускальные грунты).

Грунт дисперсный - грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложением. К дисперсным относятся обломочные нецементированные и глинистые породы. Структурные связи в них намного слабее, чем в скальных породах, а пространство между твердыми частицами (поры) заполнено водой и воздухом или другими газами. Из-за подвижности этих составляющих и слабости структурных связей указанные грунты способны менять состояние и деформироваться гораздо сильнее скальных пород. Характер деформаций определяется свойствами отдельных составляющих и их соотношением в грунте.

Грунт глинистый - связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности

IP ? 1.

Песок - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % ( = 0) p

Грунт крупнообломочный - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.

Грунт просадочный - грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки е ? 0,01

Грунт пучинистый - дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения е ?0,01

Грунт многолетнемерзлый (синоним - грунт вечномерзлый) - грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет.

Грунт сезонномерзлый - грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона.

Грунт морозный - скальный грунт, имеющий отрицательную температуру и не содержащий в своем составе лед и незамерзшую воду.

Техногенные грунты - естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования.

Антропогенные образования - твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья.

Природные перемещенные образования - природные грунты, перемещенные с мест их естественного залегания, подвергнутые частично производственной переработке в процессе их перемещения.

Грунты, измененные физическим воздействием - природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие и т. д.) изменяет строение и фазовый состав.

Грунты, измененные химико-физическим воздействием - природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру.

Насыпные грунты - техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляются с использованием транспортных средств или взрыва. 11

Намывные грунты - техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляется с помощью средств гидромеханизации.

Бытовые отходы - твердые отходы, образованные в результате бытовой деятельности человека.

Промышленные отходы - твердые отходы производства, полученные в результате химических и термических преобразований материалов природного происхождения.

Шлаки - продукты химических и термических преобразований горных пород, образующиеся при сжигании.

Шламы - высокодисперсные материалы, образующиеся в горнообогатительном, химическом и некоторых других видах производства.

Золы - продукт сжигания твердого топлива.

Золошлаки - продукты комплексного термического преобразования горных пород и сжигания твердого топлива.

4. Характеристики грунта

Физические характеристики грунтов позволяют количественно оценить их свойства и не зависят от применяемых методов расчета грунтовых сред. Ряд физических характеристик грунтов может быть получен, исходя из представления грунта как многокомпонентной среды, в общем случае состоящей из твердых частиц, жидкости (воды) и газа (рис. 2.2).

Различают физические, прочностные и деформационные характеристики грунта. Физические характеристики подразделяются на основные, производные и классификационные.

Основными являются характеристики, определяемые из опыта. Остальные физические характеристики являются расчетными.

5. Классификация грунтов

Все грунты по характеру структурных связей подразделяются на два класса: скальные и нескальные грунты. В пределах каждого класса грунты разделяются на группы по происхождению (магматические, метаморфические. Осадочные сцементированные, искусственные - для скальных грунтов; осадочные несцементированные и искусственные - для нескальных грунтов). Каждая группа подразделяется по условиям образования на подгруппы. Например, магматические грунты разделяются на глубинные и илившиеся; осадочные сцементированные - на обломочные, биохимические и химические. Среди несцементированных грунтов выделяются крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, биогенные, почвы и т.п. Дальнейшее подразделение производится по преобладающему минеральному составу и размеру частиц грунта, по степени его неоднородности, числу пластичности - на типы грунтов: (например, песок гравелистый, песок крупный и т.п. - для песчаных грунтов; супесь, суглинок, глина - для глинистых грунтов и т.п.). 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, 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.). Полная классификация грунтов приведена в ГОСТ 25100-82

Отнесение грунта к тому или иному классу, группе, подгруппе, типу, виду и разновидности производится с помощью рассмотренных характеристик грунтов.

Список литературы

1. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов 

2. http://www.gpntb.ru - Государственная публичная научно-техническая библиотека России.

3. http://www.sciteclibrary.ru - Научно-техническая библиотека. 103

4. Цытович, Н. А. Механика грунтов / Н. А. Цытович. - М. : Высшая школа, 1983.

5. Грунтоведение: учебник /Трофимов В.Т., Королёв В.А. Вознесенский Е.А., 6. Голодковская и др. - М.: Изд-во МГУ, 2005

7. Трофимов В.Т. и др.Основы грунтоведения 

Размещено на Allbest.ru