5.4. Диагностика несвязных грунтов по классификационным характеристикам
Песок – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % (Iр=0).
Грунт крупнообломочный – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.
Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.
Степень неоднородности гранулометрического состава Cu – показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:
Cu=d60/d10 (2)
где d60, d10 – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 % и 10 % (по массе) частиц.
По
степени неоднородности гранулометрического
состава С
– однородные Сu<3;
– неоднородные Сu>3.
Таблица 2
Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов по гранулометрическому составу
Разновидности крупнообломочных и песчаных грунтов | Распределение частиц по крупности, % от массы воздушно-сухого грунта |
Крупнообломочные | |
Валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый) Галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц – щебенистый) Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц – дресвяный) | Масса частиц крупнее 200 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 10 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 2 мм – более 50 % |
Пески | |
Песок гравелистый Песок крупный Песок средней крупности Песок мелкий Песок пылеватый | Масса частиц крупнее 2 мм – более 25 % Масса частиц крупнее 0,5 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 0,25 мм – более 50 % Масса частиц крупнее 0,1 мм – 75% и более Масса частиц крупнее 0,1 мм – менее 75 % |
Примечания. Для установления наименования грунта последовательно суммируются проценты содержания частиц: сначала – крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм и т.д. При наличии в крупнообломочном грунте песчаного заполнителя более 40 % или глинистого более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта, добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Например, дресва с заполнителем суглинком полутвердым.
По коэффициенту выветрелости Кwr крупнообломочные грунты подразделяют согласно таблице 3.
Таблица 3
Коэффициенты выветрелости для крупнообломочных грунтов
Разновидность крупнообломочных грунтов | Коэффициент выветрелости Кwr, д.е. |
Невыветрелый | 0–0,50 |
Слабовыветрелый | 0,50–0,75 |
Сильновыветрелый | 0,75–1,00 |
Пример обработки результатов ситового анализа несвязного грунта.
По приведенным ниже результатам ситового анализа несвязного грунта до и после испытания на истираемость построим интегральную кривую гранулометрического состава, определим степень неоднородности, коэффициент выветрелости и дадим наименование грунта по этим показателям.
Таблица 4
Данные результатов ситового анализа
Гранулометрический состав частиц, % по массе, диаметр, мм | ||||||||
> 200 | 100–200 | 60–100 | 40–60 | 20–40 | 5–10 | 2–5 | < 2 | |
4 | 0 | 0 | 5 | 9 | 28 | 33 | 15 | 6 |
Полный остаток на сите с диаметром отверстий 2 мм после испытания на истираемость, % – 68 | ||||||||
Степень окатанности частиц: окатанные (ОК) | ||||||||
Для установления наименования грунта по гранулометрическому составу последовательно определяем суммарное содержание частиц, начиная от наиболее крупных фракций, и сравниваем его с табличными значениями (табл. 2):
крупнее 200 мм составляют 4 %, или менее 50 % значит грунт не валунный; крупнее 10 мм (4+9+5+28) — 46 %, или менее 50 %, значит грунт не галечниковый; крупнее 2 мм – (46+33+15) = 94 %, или более 50 %, следовательно, грунт гравийный (с учетом преобладания окатанных частиц).
Для построения интегральной кривой гранулометрического состава вычисляем суммарное содержание частиц (%), начиная от самых мелких фракций, и результаты сводим в таблицу 5.
Таблица 5
Суммарное содержание частиц ,% по фракциям
Диаметры частиц, d мм | <2 | < 5 | < 10 | <20 | <40 | <60 | <100 | <200 |
Суммарное содержание частиц А, % | 6 | 21 | 54 | 82 | 91 | 96 | 96 | 96 |
По этим данным строят кривую (рис. 1а), откладывая по оси абсцисс диаметры частиц, а по оси ординат суммарное содержание частиц (%) размером менее данного диаметра. С целью сокращения горизонтального размера графика, особенно при наличии в грунте частиц, отличающихся по размеру на несколько порядков, по оси абсцисс откладываем не диаметры, а их логарифмы (рис. 1б). Эффективные диаметры d10 и d60 находим графически, проводя горизонтальные прямые через точки на оси ординат, соответствующие 10 и 60 % суммарного содержания частиц, до пересечения с интегральной кривой, и опуская перпендикуляр из точек пересечения на ось абсцисс (рис. 1).
По графику определяют: d10=3,3 мм; d60=11,5 мм и вычисляют степень неоднородности
C = d60 /d10 = 3,5 (3)
Рис. 1 Интегральная кривая гранулометрического состава в масштабе:
а) обычном, б) полулогарифмическом
Коэффициент выветрелости определяем из выражения
kwr=(k1—k0)/k1 (4)
где k0 – отношение процентного содержания массы частиц размером менее 2 мм к процентному содержанию частиц размером более 2 мм до испытания на истираемость равно отношению т.е.
k0=6/94=0,06 (д.е.)
По условию задачи, после испытания на истираемость на сите диаметром 2 мм осталось 68 % частиц, следовательно, частиц размером менее 2 мм оказалось 32%. Таким образом,
k1 =32/68=0,47, (д.е.),
тогда
kwr=(0,47–0,06)/0,47=0,87.
Используя все вычисленные выше классификационные показатели, можем дать грунту наименование: крупнообломочный гравийный неоднородный, сильновыветрелый (табл. 2–3)
По приведенным ниже результатам ситового анализа несвязного грунта до и после испытания на истираемость построить интегральную кривую гранулометрического состава, определить степень неоднородности, коэффициент выветрелости и дать наименование грунта по этим показателям.
Таблица 6
Варианты результатов ситового анализа несвязного грунта
Наименование показателей | Варианты | ||||||||||||||
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | ||
Гранулометрический состав частиц, % по массе более 200 мм | 2 | 62 | 4 | 53 |
| 1 | 5 | 12 | 18 | 29 |
| 2 | 48 | 36 | 18 |
200… 100 | 4 | 17 | 4 | 33 | 2 | 25 | 8 |
| 8 | 5 | 7 |
| 2 | 22 |
|
100..60 | 2 | 3 | 6 | 4 | 1 | 8 |
| 10 | 8 |
| 38 | 2 | 4 | 6 | 14 |
60… 40 | 3 | 1 | 5 | 2 | 2 | 8 | 18 | 8 |
| 8 |
|
| 8 | 15 | 15 |
40..20 | 6 | 3 | 11 | 0 | 8 | 25 | 35 | 12 |
| 6 | 5 |
| 24 |
| 12 |
20…10 | 14 | 2 | 43 | 0 | 8 | 10 | 14 | 19 | 18 | 23 | 1 | 32 | 9 |
| 8 |
10..5 | 28 | 3 | 19 | 0 | 27 | 12 | 6 | 11 | 27 | 20 |
| 48 |
| 12 | 12 |
5…2 | 17 | 3 | 4 | 3 | 41 | 5 | 11 | 25 | 20 | 3 | 43 | 14 | 2 |
| 18 |
Менее 2 мм | 24 | 6 | 4 | 5 | 11 | 6 | 3 | 3 | 1 | 6 | 6 | 2 | 3 | 9 | 3 |
Полный остаток на сите с диаметром отверстий 2 мм после испытания на истираемость, % | 54 | 82 | 88 | 93 | 70 | 28 | 36 | 38 | 68 | 84 | 70 | 85 | 12 | 47 | 58 |
Степень окатанности частиц | Н | ОК | Н | Н | ОК | Н | ОК | Н | Н | ОК | Н | ОК | Н | Н | ОК |
Примечание: ОК – окатанные, Н – неокатанные обломки
2.2. Порядок определения физических свойств несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов
Для несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов классификационными характеристиками служат: гранулометрический состав, степень неоднородности, коэффициент пористости, степень плотности, содержание органических веществ, степень морозной пучинистости.
1. Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.
По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 8 (ГОСТ 25100-95, табл.Б.10)
Таблица 8
Разновидность грунтов | Размер зерен, частиц d, мм | Содержание зерен, частиц, % по массе |
Крупнообломочные: |
|
|
— валунный (при преобладании неокатанных частиц — глыбовый) | > 200 | > 50 |
— галечниковый (при неокатанных гранях — щебенистый) | > 10 | > 50 |
Продолжение таблицы 8.
— гравийный (при неокатанных гранях — дресвяный) | > 2 | > 50 |
Пески: |
|
|
— гравелистый | > 2 | > 25 |
— крупный | > 0,50 | > 50 |
— средней крупности | > 0,25 | > 50 |
— мелкий | > 0,10 | ³ 75 |
— пылеватый | > 0,10 | < 75 |
Примечание — При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.
В инженерно-геологической практике выделяют также пески глинистые, содержащие свыше 3% глинистых частиц и не обладающие свойством пластичности (Ip<1).
Плотность сложения песков оценивается по величине коэффициента пористости е, таблица 9 (ГОСТ 25100-95, табл.Б.18).
Таблица 9.
Разновидность песков | Коэффициент пористости е | ||
Пески гравелистые, крупные и средней крупности | Пески мелкие | Пески пылеватые | |
Плотный | < 0,55 | < 0,60 | < 0,60 |
Средней плотности | 0,55 — 0,70 | 0,60 — 0,75 | 0,60 — 0,80 |
Рыхлый | > 0,70 | > 0,75 | > 0,80 |
По коэффициенту водонасыщения Sr (формула 8) крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 10 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.17).
Таблица 10
Разновидность грунтов | Коэффициент водонасыщения Sr, д. е. |
Малой степени водонасыщения | 0 — 0,50 |
Средней степени водонасыщения | 0,50 — 0,80 |
Насыщенные водой | 0,80 — 1,00 |
4. Степень неоднородности гранулометрического состава Cu — показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:
(
9)
где d60, d10 – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.
Результаты гранулометрического анализа песчаных грунтов представляют в виде интегральной кривой, выполненной в полулогарифмическом масштабе.
По вертикальной оси (ординате) графика откладываются суммарные содержания фракций в процентах в масштабе 1 мм -1 %, начало координат соответствует 0. Для этого, начиная с самой мелкой фракции (<0,005мм), последовательно суммируются процентные содержания фракций до 100 %. Каждое из полученных чисел показывает суммарное процентное содержание фракций, которые меньше диаметра наиболее крупной фракции, вошедшей в данную сумму.
Рассмотрим пример вычисления суммарных процентных содержаний фракций в пробе грунта.
В задании дано процентное содержание каждой фракции:
Размеры фракций, мм | >10 | 2-10 | 0.5-2 | 0.25-0.5 | 0.1-0.25 | 0.05-0.1 | 0.01-0.05 | 0.005-0.01 | <0.005 |
Содержание частиц, % | 4.38 | 9.18 | 25.96 | 18.69 | 24.35 | 7.68 | 5.12 | 3.42 | 1.22 |
Вычислим суммарное процентное содержание фракций в пробе:
Размер фракции, мм | >10 | 10 | 2 | 0.5 | 0.25 | 0.1 | 0.05 | 0.01 | <0.005 |
Содержание частиц, размеры которых, меньше диаметра фракции, % | 4.38+95,62= 100 | 9.18+86,44= 95,62 | 25.96+60,48= 86,44 | 18.69+41,79= 60,48 | 24.35+17,44= 41,79 | 7.68+9,76= 17,44 | 5.12 + 4,64=9,76 | 3.42 + 1,22 = 4,64 | 1.22 |
По горизонтальной оси (абсциссе) показывают соответствующие процентам размеры фракции в миллиметрах, но не в обычном линейном масштабе, а в логарифмическом масштабе, начало координат соответствует 0,001 мм.
По построенной интегральной кривой гранулометрического состава кривой находят действующий (эффективный) диаметр
ч
Рис.3. Интегральная кривая гранулометрического состава
астиц d10 и контролирующий диаметр частиц d60 (рис.3).
Рис.3 Примеры интегральных кривых гранулометрического состава рыхлых пород различной степени однородности.
Коэффициент неоднородности гранулометрического состава рассчитывают по формуле (7).
По степени неоднородности гранулометрического состава Сu, крупнообломочные грунты и пески подразделяют на:
— однородный грунт Сu £ 3;
— неоднородный грунт Сu > 3.
5. По степени водопроницаемости грунты подразделяют согласно таблице 11 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.6).
Степень водопроницаемости характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации Кф, м/сут. Определяется по ГОСТ 12536.
Таблица 11
Разновидность грунтов | Коэффициент фильтрации Кф, м/сут |
Неводопроницаемый | <0,005 |
Слабоводопроницаемый | 0,005—0,30 |
Водопроницаемый | 0,30—3 |
Сильноводопроницаемый | 330 |
Очень сильноводопроницаемый | >30 |
6. По относительному содержанию органического вещества Ir глинистые грунты и пески подразделяют согласно таблице 12 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.22).
Относительное содержание органического вещества Ir, д. е. — отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.
Таблица 12
Разновидность грунтов | Относительное содержание органического вещества Ir, д. е. | |
глинистые грунты | пески | |
Сильнозаторфованный | 0,500,40 | |
Среднезаторфованный | 0,400,25 | — |
Слабозаторфованный | 0,250,10 | — |
С примесью органических веществ | 0,100,05 | 0,10—0,03 |
7. Определяют степень морозной пучинистости грунта по его полной характеристике, таблица 7 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.27).
3. Грунты и их навигационная классификация
Грунты – это поверхностный слой дна водоемов. Грунтами дна Мирового океана являются морские отложения (осадки), представляющие собой скопления рыхлого материала, состоящего из твердых частиц различного состава и происхождения. По происхождению грунты делятся на три основные группы: терригенные, биогенные и хемогенные.
Терригенные отложения образуются в океане за счет выноса частиц горных пород реками и разрушения морских берегов . Ежегодно реки транспортируют в моря и океаны около 19 млрд. т. терригенных осадков. Причиной терригенных отложений в прибрежной зоне является волнение моря, которое разрушает берега и коренные породы склонов. Этот процесс носит название морской абразии. К терригенным отложениям относятся глыбы, валуны, галька, гравий, песок, илы, а также продукты извержения вулканов. Ближе к берегу обычно залегают наиболее крупные частицы, а мористее более мелкие.
Приливно-отливные течения производят сортировку наносов по крупности. Приливные течения уносят мелкий материал вглубь заливов, а отливные течения переносят продукты разрушения горных пород в сторону моря, при этом крупные частицы песка оседают в проливах, а мелкие уносятся в море. Переносчиками терригеновых отложений могут быть также ветры и дрейфующие льды Арктики.
Биогенные отложения образуются в результате отмирания животных и растительных организмов, обитающих в морской среде. К ним относятся: створки ракушек, ракушечный песок, коралловые известняки и гравий, песок и ил. Ряд организмов, из которых образуются биогенные отложения, обитают на дне (ракушки, донные водоросли) и носят название бентоса.
После гибели планктона и бентоса на дне морей и океанов образуются биогенные отложения, состоящие из известковых или кремнистых соединений.
Хемогенные отложения представляют собой химические соединения, образующиеся непосредственно в океане. К ним относятся различные соединения, находящиеся в растворенном состоянии в морской воде, но вследствие повышенной концентрации и температуры, выпадающие из раствора. Так, например, в Тропической зоне Атлантического океана встречается химически осажденный карбонат кальция.
К хемогенным отложениям относятся железомарганцевые и фосфоритные конкреции, образующиеся вследствие химических процессов на участках дна, где наблюдаются окислительные условия среды.
Таким образом, в Мировом океане действует ряд грунтообразующих факторов, за счет которых ежегодно в океаны и моря поступает 27,3 млрд. т осадочного материала.
Навигационная классификация грунтов. Для целей судовождения обычно используют классификацию грунтов, в основу которой положен механический состав, а также держащие свойства грунта.
Основными типами грунтов являются:
1. Плиты сплошные, отдельные скалы, которые не держат якоря.
2. Глыбы и валуны размером от 10 до100 см (валуны) и более (глыбы).
3. Галечные грунты (галька, щебень) размером 1-10 см.
4. Гравийные грунты (гравий) размером 1-10 мм. Грунт несвязный, сыпучий.
Галечные и гравийные грунты плохо держат якорь.
5. Пески – отдельно зернистый грунт с размером частиц менее 1 мм. Грунт не связный, сыпучий.
6. Пылеватые пески – преобладающие частицы размером 0,05-1 мм. Грунт несвязный, сыпучий.
7. Илистые пески – преобладающие частицы размером 0,1-0,25 мм. Грунт слабо связан, в сухом состоянии легко рассыпается. Песчаные грунты хорошо держат якорь.
8. Песчаные илы – преобладают частицы размером 0,01-01 мм. Вязкость незначительная.
9. Илы- -преобладают частицы размером 0,01-0,05 мм. Грунт связный, слабо пластичный, вязкий.
10. Глинистые илы – преобладают частицы размером 0,02 мм. Грунт связный, плотный, пластичный, вязкий, липкий.
Для выбора наиболее безопасного пути при плавании на мелководье используют карты грунтов, которые могут быть трех видов:
Навигационные грунтовые карты, на которых грунты даны только в отдельных точках и обозначены буквами, например чрИ – черный ил, ИР — ил, ракушка. На морских картах введены буквенные обозначения двух типов: крупным шрифтом обозначается характер осадка, а мелким — цвет грунта и другие сведения о нем. Например: срмПсрГл – серый мелкий песок, серая глина.
Грунтовые морфологические карты дают представление о площадном распределении того или иного грунта. Отдельные типы грунтов на таких картах наносятся штриховкой различного рода.
Батилитологические карты — на которых наносится рельеф в виде изобат и состав осадка по данным литологического исследования. (Литология – изучение состава, происхождения, строения горных пород и условий их залегания).
Наиболее распространены батилитологические карты механического состава грунтов, сопоставленные с рельефом дна. Грунты здесь нанесены на основе исследования рельефа, углов наклона дна, механического состава осадка и других литологических признаков.
Контрольные вопросы
Какие океаны и моря входят в Мировой океан?
Каковы площади и глубины океанов?
Какие основные черты рельефа встречаются на дне Мирового океана?
Как классифицируются грунты в зависимости от происхождения и их механического состава?
и оценка рыхлых связных и несвязных грунтов
Рыхлые связанные и несвязанные грунты широко распространены и участвуют в строении верхней части земной коры. При изучении этой темы следует хорошо уяснить, что физико — механические свойства рыхлых пород не приобретаются ими сразу, а являются результатом длительного и сложного взаимодействия различных факторов.
В группу несвязных рыхлых грунтов входят крупнообломочные несцементированные песчаные горные породы. Для них характерны высокая пористость и водопроницаемость. Они слабо уплотняются от действия статистических нагрузок и сильно уплотняются от действия динамических нагрузок, взрывов, вибрации и др. Устойчивость этих грунтов определяется углом внутреннего трения.
В группу связных рыхлых грунтов входят глины, суглинки, супеси, лессовые породы. Это пористые, мало водопроницаемые породы, свойства которых зависят от влажности. Связные грунты обладают пластичностью во влажном состоянии, набуханием и анизотропностью свойств. Для них характерно пучение и выпирание из — под фундаментов.
Из физико-механических особенностей лессов наиболее важной является неравномерная просадочность их при увлажнении.
Задание 7
Охарактеризовать водно-физические, механические и строительные свойства рыхлых горных пород (табл. 8) и указать возможность их использования в народном хозяйстве.
Таблица 8
| Вариант | Названия рыхлых горных пород |
| Галечники | |
| Пески мелкозернистые | |
| Дресва | |
| Пески крупнозернстые | |
| Глины |
Продолжение табл. 8
| Вариант | Названия рыхлых горных пород |
| Суглинки | |
| Супеси | |
| Лессы | |
| Пески-плывуны | |
| Глинистые пески |
Тема 4. Инженерно — геологические процессы и явления
На условия возведения и эксплуатации различных инженерных сооружений влияют естественные геологические процессы. Возведенные сооружения могут изменять природные процессы. Интенсивность и характер этих изменений определяются как видом строительства, так и геологической обстановкой района до начала строительства. При этом могут возникать новые или резко усиливаться уже существующие физико — геологические процессы и явления, которые называются инженерно- геологическими.
Природа инженерно- геологических процессов заключается в следующем. При проведении горных работ, строительстве инженерных сооружений изменяется естественное напряженное состояние горных пород. Происходит перераспределение напряжений, уплотнение и разуплотнение грунтов, изменение режима подземных вод. Особенно заметны эти процессы в неоднородных по физико-механическим свойствам массивах горных пород. Деформация горных пород в зонах горных работ и строительства тем интенсивнее, чем ниже прочность деформируемых горных пород.
Задание 8.
Объяснить причины образования и охарактеризовать инженерно – геологические процессы. Назвать мероприятия, устраняющие и вредное влияние на ведение горных работ, условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений (табл. 9).
Таблица 9
| Вариант | Инженерно- геологические процесы |
| Эоловые процессы | |
| Оползни | |
| Сели | |
| Карстовые процессы | |
| Суффозия | |
| Выветривание горных пород | |
| Плывунные явления в песках | |
| Абразия | |
| Просадочность лессовых пород | |
| Криогенные явления |
Библиографический список.
1. Ананьев В.П., Коробкин В.И. Инженерная геология.- М.: Высшая школа, 1973.
2. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Основы геологии, минералогии и петрографии: Учебник. – М.: Высшая школа, 2008. – 400 с.
3. Белоусова, О. Н. Общий курс петрографии / О. Н. Белоусова, В. В. Михина. – М.: Недра, 1972. – 344 с
4. Гальперин, А. М. Гидрогеология и инженерная геология / А. М. Гальперин, В. С. Зайцев, Ю. А. Норватов. – М.: Недра, 1989. – 383
5. Ершов, В. В. Основы геологии / В. В. Ершов, А. А. Новиков, Г. Б. Попова. – М.: Недра, 1986. – 310 с.
6. Ломтадзе, В. Д. Инженерная геология и инженерная петрология./ В. Д. Ломтадзе. – Л.: Недра, 1984. – 511 с.
7. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. -М.: Высшая школа, 1982
8. Миловский, А. В. Минералогия и петрография./ А. В. Миловский. – М.: Недра, 1973. – 368 с.
9. Милютин А.Г. Геология: Учебник. – М.: Высшая школа, 2008. – 448 с.
10. Павлинов, В. Н. Основы геологии / В. Н. Павлинов, Д. С. Кизевальтер, Н. Г. Лин. – М.: Недра, 1991. – 269 с.
11. Панюков, П. Н. Инженерная геология./ П. Н. Панюков. – М.: Недра, 1978. – 296 с.
12. Седенко М.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. — М.: Недра, 1978.
13. Седенко, М. В. Гидрогеология и инженерная геология. / М. В. Седен-ко. – М.: Недра, 1971. – 271 с.
14. Сергеев, Е. М. Инженерная геология./ Е. М. Сергеев. – М.: Изд-во МГУ, 1978. – 384 с.
15. Фролов А.Ф., Коротких И.В. Инженерная геология.- М.: Недра, 1983.
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
Поиск по сайту
2.2. Порядок определения физических свойств несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов
Для несвязных (песчаных и крупнообломочных) грунтов классификационными характеристиками служат: гранулометрический состав, степень неоднородности, коэффициент пористости, степень плотности, содержание органических веществ, степень морозной пучинистости.
1. Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.
По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 8 (ГОСТ 25100-95, табл.Б.10)
Таблица 8
Разновидность грунтов | Размер зерен, частиц d, мм | Содержание зерен, частиц, % по массе |
Крупнообломочные: |
|
|
— валунный (при преобладании неокатанных частиц — глыбовый) | > 200 | > 50 |
— галечниковый (при неокатанных гранях — щебенистый) | > 10 | > 50 |
Продолжение таблицы 8.
— гравийный (при неокатанных гранях — дресвяный) | > 2 | > 50 |
Пески: |
|
|
— гравелистый | > 2 | > 25 |
— крупный | > 0,50 | > 50 |
— средней крупности | > 0,25 | > 50 |
— мелкий | > 0,10 | ³ 75 |
— пылеватый | > 0,10 | < 75 |
Примечание — При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.
В инженерно-геологической практике выделяют также пески глинистые, содержащие свыше 3% глинистых частиц и не обладающие свойством пластичности (Ip<1).
Плотность сложения песков оценивается по величине коэффициента пористости е, таблица 9 (ГОСТ 25100-95, табл.Б.18).
Таблица 9.
Разновидность песков | Коэффициент пористости е | ||
Пески гравелистые, крупные и средней крупности | Пески мелкие | Пески пылеватые | |
Плотный | < 0,55 | < 0,60 | < 0,60 |
Средней плотности | 0,55 — 0,70 | 0,60 — 0,75 | 0,60 — 0,80 |
Рыхлый | > 0,70 | > 0,75 | > 0,80 |
По коэффициенту водонасыщения Sr (формула 8) крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 10 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.17).
Таблица 10
Разновидность грунтов | Коэффициент водонасыщения Sr, д. е. |
Малой степени водонасыщения | 0 — 0,50 |
Средней степени водонасыщения | 0,50 — 0,80 |
Насыщенные водой | 0,80 — 1,00 |
4. Степень неоднородности гранулометрического состава Cu — показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:
(
9)
где d60, d10 – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.
Результаты гранулометрического анализа песчаных грунтов представляют в виде интегральной кривой, выполненной в полулогарифмическом масштабе.
По вертикальной оси (ординате) графика откладываются суммарные содержания фракций в процентах в масштабе 1 мм -1 %, начало координат соответствует 0. Для этого, начиная с самой мелкой фракции (<0,005мм), последовательно суммируются процентные содержания фракций до 100 %. Каждое из полученных чисел показывает суммарное процентное содержание фракций, которые меньше диаметра наиболее крупной фракции, вошедшей в данную сумму.
Рассмотрим пример вычисления суммарных процентных содержаний фракций в пробе грунта.
В задании дано процентное содержание каждой фракции:
Размеры фракций, мм | >10 | 2-10 | 0.5-2 | 0.25-0.5 | 0.1-0.25 | 0.05-0.1 | 0.01-0.05 | 0.005-0.01 | <0.005 |
Содержание частиц, % | 4.38 | 9.18 | 25.96 | 18.69 | 24.35 | 7.68 | 5.12 | 3.42 | 1.22 |
Вычислим суммарное процентное содержание фракций в пробе:
Размер фракции, мм | >10 | 10 | 2 | 0.5 | 0.25 | 0.1 | 0.05 | 0.01 | <0.005 |
Содержание частиц, размеры которых, меньше диаметра фракции, % | 4.38+95,62= 100 | 9.18+86,44= 95,62 | 25.96+60,48= 86,44 | 18.69+41,79= 60,48 | 24.35+17,44= 41,79 | 7.68+9,76= 17,44 | 5.12 + 4,64=9,76 | 3.42 + 1,22 = 4,64 | 1.22 |
По горизонтальной оси (абсциссе) показывают соответствующие процентам размеры фракции в миллиметрах, но не в обычном линейном масштабе, а в логарифмическом масштабе, начало координат соответствует 0,001 мм.
По построенной интегральной кривой гранулометрического состава кривой находят действующий (эффективный) диаметр
ч
Рис.3. Интегральная кривая гранулометрического состава
астиц d10 и контролирующий диаметр частиц d60 (рис.3).
Рис.3 Примеры интегральных кривых гранулометрического состава рыхлых пород различной степени однородности.
Коэффициент неоднородности гранулометрического состава рассчитывают по формуле (7).
По степени неоднородности гранулометрического состава Сu, крупнообломочные грунты и пески подразделяют на:
— однородный грунт Сu £ 3;
— неоднородный грунт Сu > 3.
5. По степени водопроницаемости грунты подразделяют согласно таблице 11 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.6).
Степень водопроницаемости характеристика, отражающая способность грунтов пропускать через себя воду и количественно выражающаяся в коэффициенте фильтрации Кф, м/сут. Определяется по ГОСТ 12536.
Таблица 11
Разновидность грунтов | Коэффициент фильтрации Кф, м/сут |
Неводопроницаемый | <0,005 |
Слабоводопроницаемый | 0,005—0,30 |
Водопроницаемый | 0,30—3 |
Сильноводопроницаемый | 330 |
Очень сильноводопроницаемый | >30 |
6. По относительному содержанию органического вещества Ir глинистые грунты и пески подразделяют согласно таблице 12 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.22).
Относительное содержание органического вещества Ir, д. е. — отношение массы сухих растительных остатков к массе абсолютно сухого грунта.
Таблица 12
Разновидность грунтов | Относительное содержание органического вещества Ir, д. е. | |
глинистые грунты | пески | |
Сильнозаторфованный | 0,500,40 | |
Среднезаторфованный | 0,400,25 | — |
Слабозаторфованный | 0,250,10 | — |
С примесью органических веществ | 0,100,05 | 0,10—0,03 |
7. Определяют степень морозной пучинистости грунта по его полной характеристике, таблица 7 (по ГОСТ 25100-95, табл.Б.27).
Закон Кулона для связных и несвязных грунтов — Мегаобучалка
Грунтыоснований зданийи сооруженийиспытывают воздействие не только нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его предельного сопротивления, то происходит сдвиг одной части массива грунта по другой.
Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и используется в расчетах оснований по первому предельному состоянию (по прочности).
Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта, служащего основанием сооружения, слагающего берег (склон) водохранилища или же откос канала, происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунтаопределяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу τ .
В лабораторных условиях сопротивление грунта сдвигу устанавливается испытанием его образцов на прямой сдвиг (срез) в сдвиговых приборах и приборах трехосного сжатия, в полевых — путем испытания крыльчаткой, методами раздавливания призмы грунта, сдвигом целика грунта в заданной плоскости и другими способами. На рис. 5.11 показан общий вид установки для испытания грунтов на одноплоскостной сдвиг.
Если образец грунта поместить в сдвиговой прибор (в виде двух компрессионных колец), то приложив вертикальную силу F и постепенно увеличивая горизонтальную силу Т, происходит срез (сдвиг) одной части образца относительно другой по линии, показанной пунктиром (см. рис. 5.12).
Опыты на сдвиг проводят при нескольких сжимающих напряжениях (о) для образцов грунта, находящихся в одинаковом состоянии и результаты оформляют в виде графиков (рис. 5.13). При этом, чем больше а, тем больше предельное сопротивление сдвигу τи.
Под действием возникающих в плоскости среза касательных напряжений τ=Т/А развиваются горизонтальные перемещения верхней части образца а (см. рис. 5.13). По мере увеличения интенсивность горизонтальных перемещений а возрастает, и при некотором предельном значенииτ = τи дальнейшее перемещение части образца происходит без увеличения сдвигающего напряжения. Это свидетельствует о разрушении образца грунта.
Рис. 5.13. Кривые горизонтальных смещений части образца при различных значениях нормальных напряжений (а) и график сопротивления сдвигу образца песчаного грунта (б)
Многочисленными экспериментами различных авторов установлено, что график зависимости сопротивления сдвигу от нормального напряжения для песчаных и крупнообломочных грунтов с достаточной точностью может быть представлен отрезком прямой, выходящей из начала координат (см. рис. 5.13, б). Тогда эта зависимость может быть выражена уравнением
(5.27)
где tgφ — коэффициент внутреннего трения, характеризующий трение грунта о грунт, tgφ = ƒ; φ— угол внутреннего трения.
Зависимость (5.27) установлена французским ученым Ш. Кулоном еще в 1773 г. и формулируется следующим образом: предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению. Этот закон называется законом Кулона для несвязных фунтов.
Как известно, глинистые фунты (супесь, суглинок, глина) обладают связностью, интенсивность которой зависит от влажности и степени уплотненности грунта.
Испытание глинистых грунтов производится в таких же приборах, что и несвязных грунтов (см. рис. 5.12), только фильтрующая пластина — без зубцов.
Так же проводятся несколько испытаний и строится график (рис. 5.14). Тогда зависимость τ = ƒ (σ) для связных грунтов может быть представлена следующим образом:
(5.28)
где с — отрезок, отсекаемый от оси τи прямой АВ (рис. 5.14), называется удельным сцеплением и характеризует связность грунта.
Параметры φ и с лишь условно можно назвать углом внутреннего трения и удельным сцеплением, так как физика процесса разрушения грунта намного сложнее.
Рис. 5.14. График сопротивления сдвигу образцов глинистого грунта
На полученные величины параметров сопротивления грунта сдвигу (φ и с) оказывает влияние методика проведения опытов (табл. 5.3).
Уравнение (5.28) называют законом Кулона для связных грунтов и формулируют следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу при завершении их консолидации есть функция первой степени нормального напряжения.
Связные породы
Группа связных грунтов объединяет лессовые, глинистые почвы и биогенные породы. Для них характерна зависимость прочностных и других свойств от влажности. В зависимости от влажности преобладают структурные связи разного характера: ионно-электростатические, капиллярные, молекулярные.
Лессовые породы распространены очень широко. По условиям залегания лессовые породы — повсеместно покровные. Мощность их толщи колеблется от нескольких см до десятков и даже сотен м. В пределах равнинных областей мощность лессовых толщ возрастает от первой надпойменной террасы к междуречным (водораздельным) пространствам. Для предгорных и горных районов, наоборот, характерно увеличение мощности лессовых пород по мере приближения к долинам рек: здесь наиболее мощные их толщи приурочены к дипрес-сиям. Лессовые породы обычно подразделяются на лессы и лессовидные грунты. В основу этого подразделения могут быть положены различные признаки. При инженерно-геологической характеристике важнейшей их особенностью является просадочность. По этому свойству и следует подразделить лессовые породы: лессы являются просадочными, лессовидные — непроса-дочными или малопросадочными.
Лессы являются наиболее однородными по гранулометрическому составу. Во всех районах они характеризуются высоким содержанием крупнопылеватых частиц (0,05 — 0,01 мм), ничтожным количеством частиц крупнее 0,25 мм и небольшим содержанием глинистых фракций (не более 16 %, обычно – 1 — 2 %).
Лессовидные породы характеризуются разным гранулометрическим составом. Среди них выделяются лессовидные пески, лессовидные супеси, лессовидные суглинки и даже лессовидные глины.
Просадочность лессов — не только их важнейшее свойство, имеющее большое практическое значение, но и ключ к познанию их генезиса. Лессы обладают просадочностью (е > 0,01). Величина просадочности с глубиной в общем уменьшается, но под горизонтами погребенных почв значительно возрастает, их суммарная пористость колеблется от 30 до 64 %. Наиболее часто встречающиеся значения пористости — 44 — 50 %. Коэффициент просадоч-ности (относительно) лессов достигает 0,06 — 1,12 при осж = 0,3 МПа
Характерным признаком всех лессовых пород является их малая водопрочность. Водопроницаемость изменяется в широких пределах: коэффициент фильтрации колеблется от 0,001 до 8,5 м/сут. Величина угла внутреннего трения лессовых грунтов варьируется в зависимости от разных факторов от 5° до 31°, а величина сцепления — от 0 до 0,042 МПа. Одной из характерных особенностей является значительное снижение их сопротивления сдвигу в момент замачивания. Угол внутреннего трения уменьшается на 4° — 8°, а величина сцепления также быстро падает. Лессовые породы характеризуются невысокой пластичностью.
Глинистые — одна из наиболее распространенных пород. Составструктурно-текстурные особенности и свойства, а также строение толщ определяются их генезисом. Огромное влияние на их свойства также оказывают возраст, степень литификации и условия залегания. Элювиальные глины характеризуются различными инженерно-геологическими свойствами, в частности различной пластичностью. Наиболее пластичные их разновидности формируются при выветривании основных изверженных и эффузивных пород. При выветривании кислых пород обычно образуются слабопластичные глины (каолинитовые).
Глинистые делювиальные породы имеют общую склонность движения по склонам. Искусственная подрезка делювиальной толщи (сооружение котлована под здание, дорожной выемки и т. д.), особенно в нижней части склона, нередко вызывает подвижки оползневого характера. Поверхность скольжения может проходить как внутри делювиальной толщи, так и по контакту ее с подстилающей коренной породой. В инженерно-геологической практике имеются примеры, когда движение глинистого делювия по поверхности глинистых пород происходит при очень малых углах наклона к поверхности контакта (несколько градусов). Борьба с движением в этих условиях осложняется свойствами этих пород, в частности их практической водонепроницаемостью и неэффективностью вследствие этого применения дренажных устройств.
Пролювий — это генетический тип континентальных отложений временных потоков в пределах предгорных равнин. Сюда отнесены и отложения конусов выноса. Пролювиальные глинистые породы, сформированные в предгорных равнинах, отличаются хорошей отсортированностью. Среди аллювиальных образований глинистые породы развиты очень широко, особенно в долинах равнинных рек. Они отличаются большим разнообразием как по составу, так и по свойствам. Такое разнообразие определяется различными условиями формирования тех или иных глинистых аллювиальных толщ. Наихудшими по своим инженерно-геологическим особенностям среди них оказываются глинистые породы, которые формируются в старицах и представлены обычно достаточно высокодисперсными разновидностями со значительным количеством органики. Они находятся преимущественно в мягкопластичном состоянии.
Ледниковые отложения представлены супесями, суглинками и глинами, содержащими различное количество дресвы, гравия, гальки и валунов. Отличительной чертой глинистых моренных образований является их высокая плотность: объемная масса обычно колеблется от 1,8 — 1,9 до 2,2 — 2,3 г/см3. Пористость этих пород мала — обычно 25 — 35 % (наиболее часто — около 30 % или несколько ниже). В соответствии с высокой плотностью сжимаемость моренных отложений незначительна: показатели механических свойств характеризуют морену как плотный, слабосжимаемый грунт. Модули сжимаемости, полученные при компрессионных испытаниях в интервале нагрузок 0,1 — 0,3 МПа, находятся в пределах от 9 до 10 — 15 и даже до 20 МПа. Сопротивление сдвигу моренных грунтов также обычно достаточно высокое. Моренные глинистые грунты в большинстве случаев считаются надежными основаниями для самых тяжелых и ответственных сооружений, что обусловлено их плотным сложением, очень низкой пористостью и слабой сжимаемостью.
Типичным представителем глинистых водно-ледниковых отложений являются хорошо известные в инженерно-геологической практике ленточные глины, широко развитые на севере Республики Беларусь. Ленточным глинам свойственна высокая пористость (до 60 — 65 %) и высокая естественная влажность. Чаще она выше влажности верхнего предела пластичности, т. е. в естественных условиях глины находятся в скрытотекучем состоянии. Ленточные глины обладают четко выраженной анизотропией в отношении целого ряда свойств благодаря особенностям своего микростроения. В частности, их водопроницаемость, являющаяся вообще величиной очень небольшой, значительно выше вдоль напластования, чем перпендикулярно к нему. У песчаных и пылеватых прослоев (в основном определяющих водопроницаемость вдоль напластования) коэффициент фильтрации равен 10-8 см/с, а у глинистых он снижается. Ленточные глины в естественном состоянии могут без значительных деформаций выдерживать нагрузки до 0,3 — 0,4 МПа, даже если их естественная влажность превышает верхний предел пластичности. Осадка толщи водонасыщенных ленточных глин под сооружением усиливается при переслаивании глинистых и песчаных пород. Последние в этом случае играют роль естественных дрен, отводящих выжимаемую из глинистых прослоев воду.
Сопротивление ленточных глин различно в зависимости от места расположения поверхности сдвига. Оно больше для песчаных и меньше для глинистых прослоев. Кроме того, ввиду анизотропности породы это сопротивление изменяется в зависимости от направления сдвигающего усилия по отношению к поверхности наслоения.
Озерные суглинки и глины пользуются сравнительно нешироким распространением. Высокая пористость глинистых озерных пород, значительное содержание в них органики и высокая естественная влажность обусловливают большую сжимаемость этих пород и низкие показатели сопротивления сдвигу.
Глинистые породы очень широко распространены среди морских отложений. Для морских глин характерно наличие водорастворимых солей. При высыхании эти соли кристаллизуются и создают жесткие связи между частицами породы, увеличивая ее прочность. Наличие кремнезема и окислов железа в морских глинах еще больше повышает их связность, прочность и водоустойчивость. Противоположную роль играют сульфиды железа и органические вещества, которые, разлагаясь, вызывают изменение состояния и ухудшение свойств глинистых пород.
Большинство более древних глин на платформе находится в скрыто-текучем или тугоплавком состоянии. Сильно уплотненные глинистые породы, находящиеся в полутвердом или твердом состоянии, встречаются чаще всего в геосинклинальных и сильно дислоцированных областях, а также в пределах платформы на значительной глубине.
Многие глинистые морские отложения, несмотря на свою высокую уплотненность, подвержены на склонах развитию оползней, достигающих иногда огромных размеров.
