Основные строительные свойства грунтов

Условия образования и основные строительные свойства грунтов тесно взаимосвязаны. В этой связи необходимо рассматривать инженерно-геологические особенности территории страны, формы и виды ледниковых отложений, современные отложения, строение, состав и свойства грунтов.

Строение, состав и свойства грунтов

Природа грунта чрезвычайно сложна и разнообразна. Грунт нельзя отнести ни к одному из известных состояний вещества: твердому, жидкому, газообразному или плазменному.

По своему физическому строению грунт сложное тело, состоящее из твердого вещества (скелета) грунта, жидкости и газа. Эти составляющие находятся в исключительно сложном соотношении и в различной физико-химической зависимости. Строение грунта зависит от естественно-исторических условий образования и существования во времени и пространстве.

Рис. 11. Структуры (строение) грунтов: 1 — зернистая (песчаная): а — рыхлая; б — плотная. 2 — глинистая: а — рыхлая (сотовая); б — плотная (чешуйчатая). 3 — сложная: а — новейшие глинистые осадки; б — морские глинистые отложения; 1 — песчаные частицы; 2 — глинистые частицы; 3 — коллоиды; 4 — растительные остатки; 5 — фауна; 6 — вода.

Грунты имеют различную структуру — строение (рис. 11) и текстуру — особенности сложения отдельных структурных элементов в пласте (рис. 12). Структура грунта в основном зависит от особенностей его твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от наличия и характера структурных связей.

Рис. 12. Текстуры (сложение) грунтов: а - слитая (массивная и скрытослоистая); б — слоистая; 1 — ленточная, сланцевая; 2 — косослойная; в — сложная (порфировая, макропористая, ячеистая и др.).

Твердая фаза грунта состоит из частиц минералов и горных пород разной крупности и составляет его скелет.

Минералогический состав скелета грунта, т. е. содержание в грунте различных минералов, существенно определяет его свойства. Например, наличие в глинах монтмориллонита с громадной удельной поверхностью частиц (до 800м² в 1 грамме) обусловливает набухание глин при увлажнении.

Отдельные частицы грунта по крупности и окатанности носят следующие названия: валуны (глыбы) >200 мм, галька, щебень 200÷20 мм; гравий, дресва — 20÷2 мм, песчаные 2÷0,05 мм, пылеватые 0,05÷0,005 мм и глинистые<0,005 мм.

Зерновой, или гранулометрический состав — это процентное содержание в образце грунта частиц разной крупности.

Гранулометрический состав грунтов определяют в грунтовых лабораториях различными способами. Для крупнообломочных и песчаных грунтов — это ситовой метод — рассеивание образца на наборе сит и взвешивание каждой фракции. Для глинистых грунтов содержание фракций определяют отмучиванием (метод Сабанина), методом пипетки, полевым методом Рутковского, основанным на различном набухании глинистых грунтов, и др.

Рис. 13. Кривая неоднородности гранулометрического состава.

По данным гранулометрического анализа строят кривую неоднородности (рис. 13) и по коэффициенту неоднородности V определяют однородность песков:

V = d₆₀/d₁₀

где d₆₀ — диаметр частиц, меньше которого в образце грунта содержится 60 % частиц по весу;

d₁₀ — диаметр частиц, меньше которого в том же образце содержится 10% частиц по весу.

Если V>3, то песок считается неоднородным.

При использовании грунтов в качестве строительных материалов или сырья для промышленности определяют также их химический состав — содержание в грунте различных химических элементов.

Согласно нормам проектирования оснований зданий и сооружений, СНиП, по гранулометрическому составу классифицируют крупнообломочные и песчаные грунты (табл. 2).

Таблица 2. Виды крупнообломочных и песчаных грунтов.

Наименование видов крупнообломочных и песчаных грунтов	Распределение частиц по крупности в % от веса сухого грунта
Крупнообломочные
Валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц — глыбовый)	Вес частиц крупнее 200 мм составляет более 50%
Галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц — щебенистый)	Вес частиц крупнее 10 мм составляет более 50%
Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц — дресвяный)	Вес частиц крупнее 2 мм составляет более 50%
Песчаные
Песок гравелистый	Вес частиц крупнее 2 мм составляет более 25%
Песок крупный	Вес частиц крупнее 0,5 мм составляет более 50%
Песок средней крупности	Вес частиц крупнее 0,25 мм составляет более 75%
Песок мелкий	Вес частиц крупнее 0,1 мм составляет 75% и более
Песок пылеватый	Вес частиц крупнее 0,1 мм составляет менее 75%

Примечание. Для установления наименования грунта по табл. 2 последовательно суммируются проценты содержания частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 200 мм, затем — крупнее 10 мм, далее — крупнее 2,0 мм и т. д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в таблице.

Жидкая фаза грунта — это вода, содержащаяся в различных видах и взаимодействующая с частицами грунта. Вода заполняет поры между частицами в некоторой доле или полностью.

В зависимости от размеров частиц грунта, величины пор и доли их заполнения водой между твердой и жидкой фазами грунта на поверхности раздела фаз возникают электромолекулярные силы взаимодействия (рис. 14).

Рис. 14. Взаимодействие частиц грунта и пленочной воды: 1 - минеральная частица; 2 - молекула воды - диполь; 3 - кривая электромолекулярных сил взаимодействия; 4 — поверхность раздела фаз.

Жидкая фаза в грунтах придает им особые свойства: упругость, набухание, усадку, замедленные вековые осадки грунта под нагрузкой и пр. На свойства грунтов особенно сильно влияет замерзшая вода, находящаяся в порах и трещинах пород. Строительство на мерзлых грунтах ведется по особым нормам проектирования.

Газообразная фаза в грунте представляет включение в поры грунта водяных паров и газов, в основном воздуха. При этом газы могут находиться в трех состояниях: в замкнутом, если поры и пустоты не сообщаются между собой; в свободном, когда газы сообщаются с атмосферой, и растворенном в поровой воде. Газы в защемленном и растворенном состояниях обусловливают упругость грунтов и сжимаемость поровой воды.

Структурные связи в дисперсном грунте зависят от его физико-химической природы и фазового состава и делятся на коагуляционные, конденсационные, кристаллизационные и цементационные.

Разнообразие связей обусловливает структурную прочность грунтов при их загружении.

Грунты характеризуются физическими и механическими свойствами.

Для строительных целей физические свойства грунтов могут быть количественно оценены несколькими показателями или характеристиками. Важнейшие характеристики свойств и их определения даны в табличной форме (табл. 3).

Таблица 3. Характеристики физических свойств грунтов.

№ п/п	Обозначение	Наименование	Размерность	Формула	Численное значение
1.	Vs	Удельный вес, отношение веса минеральных частиц gc к их объему Vc — определяется пикнометрическим методом по ГОСТ 5181	г/см3, т/м3	Vs = gc/Vc	2,5÷2,8
2.	V	Объемный вес, отношение веса грунта в естественном состоянии по влажности g к его объему V — определяется по ГОСТ 5182	г/см3, т/м3	V = g/V	1,4÷2,2
3.	W	Весовая (естественная) влажность, отношение веса воды gв к весу сухого грунта gcyx — определяется по ГОСТ 5179	ед.,%	W = gв/gcyx	Часто 15 — 30%, в илах до 250%
4.	Vск	Объемный вес скелета грунта, отношение веса скелета грунта ко всему объему грунта	г/см3, т/м3	Vск = gc/V = V/1+W	1,0÷2,0
5.	n	Пористость, отношение объема пор Vn к общему объему образца V	ед., %	n = Vn/V	Часто 15 — 30%, но не более 90%
6.	е	Коэффициент пористости, отношение объема пор к объему скелета	ед.	е = Vn/Vс	Часто 0,3÷0,6 и до 3,0
7.	V1	Объемный вес грунта во взвешенном состоянии (водонасыщенные пески, супеси, илы, слабые суглинки)	г/см3 т/м3	V1 = (Vs - 1)(1 - n)	Приближенно V1 = V - 1
8.	G	Степень (коэффициент) влажности, доля заполнения пор водой	доли ед.	G = WVs/еVW	G ≤ 1,0 VW Удельный вес воды
9.	WP Wl	Пределы пластичности глинистых грунтов: раскатывания (нижний) по ГОСТ 5184 и текучести (верхний) по ГОСТ 5184	доли ед.
10.	Ip	Число пластичности, разность между пределами текучести и раскатывания	ед.	IP = WL-Wp	Часто 0,01÷0,20
11.	IL	Показатель консистенции, состояние по влажности глинистых грунтов	ед.	IL = W-Wp/IP	0>1
12.	k	Коэффициент фильтрации, скорость фильтрации V при напорном градиенте i = 1	м/сек, м/сут	k = V/i	В песках, часто 2÷50

Глинистые грунты способны изменять форму под действием внешних сил при определенной влажности без растрескивания поверхности образца и сохранять измененную форму с прекращением действия сил.

Глинистые грунты в зависимости от консистенции могут быть в трех состояниях: твердом, пластичном и текучем (рис. 15).

Рис. 15. Состояние глинистых грунтов: а — три состояния по влажности; б — зависимость состояния грунта от содержания глинистых частиц.

Пластичное состояние определяется двумя условными границами влажности: нижней границей пластичности, пределом пластичности (раскатывания) W_p и верхней границей пластичности, пределом текучести W_L.

По СНиП глинистые грунты классифицируют по числу пластичности на супеси, суглинки и глины (табл. 4) и по консистенции (табл. 5). Песчаные грунты подразделяют также по коэффициенту пористости е (табл. 6).

Таблица 4. Классификация грунтов по числу пластичности и по косвенным показателям.

Наименование грунтов	Число пластичности (по СНиП)	Диаметр жгута, мм	Содержание глинистых частиц, %
Песок	1Р< 1	Не раскатывается	<3
Супесь	1 ≤ 1Р ≤ 7	>3	3÷10
Суглинок	7<1Р≤ 17	1-3	>10—30
Глина	1Р>17	<1	>30

Таблица 5. Наименование глинистых грунтов по консистенции.

Наименование грунтов	Показатель консистенции /
Супеси
твердые	IL<0
пластичные	0 ≤IL≤1
текучие	IL
Суглинки и глины
твердые	IL<0
полутвердые	0 ≤ IL ≤ 0,25
тугопластичные	0,25 <IL ≤ 0,5.
мягкопластичные	0,5<IL ≤0,75
текучепластичные	0,75 <1L≤1
текучие	IL>1

Таблица 6. Наименование песчаных грунтов по плотности.

Наименование видов песчаных грунтов	Плотность сложения песчаных грунтов
	плотные	средней плотности	рыхлые
Пески гравелистые, крупные и средней крупности	е < 0,55	0,55 ≤ е ≤ 0,70	е>0,70
Пески мелкие	е< 0,60	0,60 ≤ е ≤ 0,75	е>0,75
Пески пылеватые	е<0,60	0,60 ≤ е ≤ 0,80	e>0,80

Примечание. Плотность песчаных грунтов рекомендуется определять по образцам, отобранным без нарушения природного сложения грунта или при помощи зондирования.

В последнее время относительную плотность песчаных грунтов определяют статическим и динамическим зондированием. Кроме того, песчаные грунты называют по степени влажности:

маловлажными G≤0,5;

влажными 0,5<G≤0,8;

насыщенными водой G>0,8.

Песчаные грунты следует классифицировать также по коэффициенту неоднородности. Полное наименование песчаного грунта включает все характеристики, например: песок средней крупности, рыхлый, насыщенный водой, неоднородный. Глинистый грунт классифицируют только по 1_Р и 1_L, например, суглинок текучепластичный.

В необходимых случаях для глинистых грунтов выделяют характерные их разновидности: просадочные и набухающие, по показателям, указанным в СНиП.

Грунты подразделяются также в зависимости от относительного содержания растительных остатков (степени заторфованности), которые определяются как отношение их веса в образце сухого грунта к весу минеральной части образца (табл. 7).

Таблица 7. Наименование грунтов по степени заторфованности q

Наименование грунтов	Степень заторфованности
Грунты с растительными остатками
Песчаные с растительными остатками	0,03< q ≤0,1
Глинистые с растительными остатками	0,05< q ≤ 0,1
Заторфованные грунты
Слабозаторфованные	0,10<q≤ 0,25
Среднезаторфованные	0,25 <q≤ 0,40
Сильнозаторфованные	0,40 < q ≤ 0,60
Торфы	q > 0,60

Насыпные грунты подразделяются по способу укладки — на отсыпанные насухо и намытые; по однородности состава и сложения — на насыпи и подсыпки, отвалы грунтов и отходов производства, свалки бытовых отходов; по основной части насыпных массивов — на грунтовые, отходы производства, бытовые отходы; по уплотнению — слежавшиеся и неслежавшиеся.

Уплотненные и закрепленные грунты характеризуются их природным состоянием, методами упрочнения и показателями свойств после их упрочнения.

Механические свойства грунтов характеризуют их способность воспринимать нагрузки от сооружений.

Различают показатели деформационных свойств: модуль деформации, коэффициент сжимаемости, коэффициент бокового давления, коэффициент бокового расширения; прочностных свойств: угол внутреннего трения, удельное сцепление, угол естественного откоса и др. По прочностным свойствам определяют несущую способность грунтов.

Работа грунта основания под возрастающей нагрузкой имеет три стадии напряженно-деформативного состояния: 1 — уплотнения; 2 — сдвигов и 3 — разрушения (рис. 16 и 17).

Рис. 16. Испытание грунта пробными нагрузками: а — схема установки; б — график зависимости осадки S от давления Р; 1 — штамп площадью 5000 см²; 2 — гидродомкрат; 3 — упорная балка; 4 — трос к прогибомеру; 5 — маслопровод к насосу; 6 — анкерные винтовые сваи; 7 — прокладки.

Рис. 17. Стадии работы грунта под фундаментом мелкого заложения: а — стадия уплотнения; б — стадия сдвигов; в — стадия разрушения; 1, 2 — развитие пластических зон с ростом нагрузки; 3, 4 — уплотненный клин грунта; 5 — поверхность скольжения; 6 — валы выпора.

Несущая способность грунта определяется давлением, при котором в основании образуются поверхности скольжения 5, охватывающие всю подошву фундамента.

На стадии разрушения развиваются большие и быстровозрастающие осадки, а грунт частично выпирается на поверхность. Такой стадии соответствует предельное давление на грунт Р_Пр, которое практически недопустимо.

Основания фундаментов рассчитывают исходя из расчетных давлений R, при которых зоны местного нарушения прочности ограничиваются глубиной Z = 0,25 в.

Расчетное давление определяют по формуле (17) СНиП.

Отношение величин предельных Р_Пр и расчетных R давлений на грунт, или коэффициент запаса основания k₃, дан на графиках рис. 18: А — для песчаных и В — для глинистых грунтов. Как видно из графиков, расчетное давление далеко не исчерпывает несущей способности основания.

Рис. 18. График коэффициентов запаса несущей способности грунта основания.