Количественные характеристики гранулометрического состава.

При характеристике гранулометрического состава используют та­кие показатели, как эффективные диаметры й?₆₀ и й?_ш, т. е. диамет­ры частиц, меньше которых в грунте содержится по массе соответ­ственно 60 или 10 % частиц. Иногда к числу эффективных диаметров относят с!₅₀, */₉о, ^95 ^и ^5> которые вычисляют аналогично описанному способу. Эффективные диаметры применяют для оцен­ки степени неоднородности гранулометрического состава грунта

или степени сортированности

5 =

Применяют также показатели, характеризующие однородность грунта, такие, как а"₅₀ а₀/с1ю или й?₅о ^95/^5-

В практике инженерно-геологических исследований применя­ют также специальные статистические коэффициенты, характери­зующие крупность частиц грунта с помощью методов математиче­ской статистики (по нормальным и логарифмически нормальным распределениям частиц по крупности).

Приведенные характеристики применяют обычно для песча­ных, гравийно-галечных и пылеватых грунтов.

Некоторые свойства глинистых грунтов и их характеристики.Возвращаясь к оценке свойств глинистых грунтов, рассмотрим следующие важные их характеристики.

Набуханием называют способность глинистых пород при на­сыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема "по­роды сопровождается развитием в ней давления набухания. На­бухание зависит от содержания в породе глинистых и пылеватых частиц и их минералогического состава, а также от химического состава взаимодействующей с породой воды. Бентонитовая глина может, например, увеличить свой объем более чем на 80 %, као-линитовая — на 25 %.

Коэффициент набухания (к, %) определяют по данным лабора­торных исследований по приросту объема породы в процессе на­сыщения ее водой:

где V— объем набухшей породы, см³; У — объем воздушно-сухой породы, см³.

Способность пород к набуханию характеризуется:

• степенью деформации набухания Я„, %, определяемой по из­
менению объема или высоты образца;

• давлением набухания Р„, МПа, которое развивается при не­
возможности объемных деформаций в процессе набухания породы;

• влажностью набухания 0^, соответствующей такому состоя­
нию породы, при котором прекращается процесс поглощения
жидкости (воды) породой.

Явление набухания учитывают при строительных работах. На­бухание пород (главным образом дисперсных) наблюдается в кот­лованах, траншеях и других выемках, а также при строительстве плотин, дамб, транспортных насыпей и водохранилищ, когда из­меняются гидрогеологические условия сооружений и увеличива­ется влажность пород, особенно глинистых, за счет вновь посту­пающей воды.

Усадкой породы называют уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка. В наибольшей степе­ни набуханию и усадке подвержены глинистые породы.

Размоканием называют способность глинистых пород в сопри­косновении со стоячей водой терять связность и разрушать­ся — превращаться в рыхлую массу с частичной или полной поте­рей несущей способности. Размокание породы имеет большое значение для характеристики ее строительных качеств. Скорость размокания породы определяет степень ее устойчивости под водой.

При оценке размокаемости принимают во внимание вид по­роды после распада (пылевидный, пластичный, комковатый) и отмечают размер распавшихся частиц. Глинистые породы размо­кают в несколько раз медленнее, чем песчаные. Наличие в поро­де гумуса и карбонатов замедляет размокание.

Большая часть пород с кристаллизационной структурой являет­ся практически неразмокаемой. Большинство же дисперсных по­род с другими видами связи относятся к категории размокаемых.

Для характеристики размокания пород обычно используют два показателя:

• время размокания, в течение которого образец породы (глав­
ным образом, глинистой), помещенный в воду, теряет связность и
распадается на структурные элементы разного размера;

• характер размокания, отражающий качественную картину
распада образца породы.

Размокание породы имеет существенное значение при подго­товке проекта производства работ и организации возведения соо-

ружения с учетом климатических особенностей района строите­льства и сезона работ.

Плотные суглинки и четвертичные, а особенно древние, гли­ны, не размокающие в стоячей воде, разрушаются при длитель­ном воздействии текучей воды, т. е. размываются.

Размываемостъ пород со слабыми структурными связями обу­словливается сопротивлением их размоканию.

Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характе­ристики.Расчет оснований сооружений, проектирование фунда-ментов, качественных насыпей, создание проектов производства работ, оценка и прогноз эксплуатации оснований и фундаментов, а в конечном итоге и сооружений; выяснение причин развития и активизации природных геологических и инженерно-геологиче­ских процессов и явлений невозможны без определения физи­ко-механических свойств фунтов, наиболее важными из которых являются деформационные и прочностные.

Сжимаемость грунтовхарактеризует их способность деформи­роваться под влиянием внешней нагрузки, например давления от возведенных сооружений, не подвергаясь разрушению. Деформа­ционные свойства грунтов характеризуются модулем общей де­формации, коэффициентом Пуассона, коэффициентами сжимае­мости и консолидации, модулями сдвига и объемного сжатия.

Деформационные свойства дисперсных фунтов определяются их сжимаемостью под нафузкой, обусловленной смещением ми­неральных частиц относительно друг друга и соответственно уме­ньшением объема пор вследствие деформации частиц породы, воды и газа.

При определении сжимаемости грунтов различают показатели, характеризующие зависимость конечной деформации от нафузки и изменение деформации фунта во времени при постоянной на-фузке. К первой фуппе характеристик относятся: коэффициент уплотнения а, коэффициент компрессии а_к, модуль осадки е_р, ко второй — коэффициент консолидации и др.

Общая характеристика сжимаемости грунтов как деформаци­онного показателя определяется модулем общей деформации Е.

При нафузке на фунт возникают деформации, протекающие во времени. Даже для неполностью водонасыщенных глинистых фунтов сжатие под нафузкой происходит не мгновенно, но в ряде случаев осуществляется сразу со скоростью приложения на-фузки.

Деформация сжатия перечисленных грунтов обусловлена при обычных в строительстве нагрузках упругим сжатием частиц и газа. Для водонасыщенных глин, особенно с нарушенными структурными связями, сжатие осуществляется при оттоке воды

из пор грунта, скорость которого зависит от водопроницаемости грунта. Для правильного суждения о скорости осадки сооруже­ний используют данные о консолидации грунтов. Консолидация дисперсных грунтов — это их уплотнение во времени под посто­янной нагрузкой.

К числу факторов, определяющих сжимаемость грунтов, отно­сят их гранулометрический, минералогический составы и харак­теристики структуры и текстуры.

Дисперсность и степень неоднородности грунтов определяют отчасти их пористость, а тем самым обусловливают возможность их деформирования. Определенное значение здесь имеет и филь­трационная способность различных по крупности грунтов.

Немаловажное значение имеет и минералогический состав грунтов. Наличие в песках частиц слюды значительно увеличива­ет сжимаемость таких песков и величину обратимой деформации. Состав минералов в глинистых грунтах определяет размер, форму и гидрофильность частиц грунта. Пористость глинистых грунтов возрастает, как и возможность уплотняться при действии внеш­ней нагрузки, с увеличением дисперсности и гидрофильное™ глин. Это подтверждается фактом наибольшей деформируемости монтмориллонитовых глин по сравнению с другими минералоги­ческими разностями глин, что определяется свойствами монтмо­риллонита, его внутренним строением.

К числу факторов, определяющих способность грунтов дефор­мироваться, относится и морфология их частиц, формирующая в некоторой степени размер и форму порового пространства, их фильтрационную способность. Угловатые частицы с шероховатой поверхностью по сравнению с окатанными полированными обла­дают не только повышенной способностью адсорбировать на се­бе водные пленки и пленки вторичных образований различного химического состава, тем самым способствуя развитию структур­ных связей различного характера, но и затрудняют перемещение частиц друг относительно друга за счет естественного в таком случае повышенного трения частиц при перемещении. Наиболее характерно это для песчаных, мелкообломочных и отчасти пыле-ватых грунтов. Наличие в грунтах гумуса и других гидрофильных компонентов определяет степень развития структурных связей, сорбционную способность грунтовых частиц. Указанный факт, толщина пленок воды, упругие и пластические свойства гумуса и других органических соединений существенно сказываются на способности грунтов деформироваться под нагрузкой, кроме все­го прочего, за счет изменений в возможности фильтрационного отжатая воды из порового пространства. Наиболее ярко это про­является в глинистых, пылеватых и отчасти супесчаных грунтах. 178

Установлено также, что на формирование и размер водных пленок и развитие структурных связей влияет и состав обменных катионов в поровом растворе грунтов. Естественно, это в опреде­ленной степени сказывается и на деформационных свойствах грунтов.

Прочность грунтов. Кчислу наиболее важных физико-механи­ческих свойств грунтов относят их прочность. Прочностные ха­рактеристики грунтов являются определяющими при решении инженерно-геологических задач, возникающих при оценке осно­ваний, проектировании, строительстве и эксплуатации фундамен­тов сооружений. Сопротивление грунтов сдвигу является их важ­нейшим прочностным свойством. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между час­тицами разрушаются и происходит смещение (сдвиг) одних час­тиц относительно других — грунт приобретает способность нео­граниченно деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение грунта происходит в виде перемещений одной части грунтового массива или слоистой толщи относительно другой (к числу при­меров, часто возникающих в строительной практике, можно от­нести оползание откосов строительных котлованов и других вые­мок, «выпор» грунта из-под сооружений).

Сопротивление грунтов сдвигу в определенном диапазоне дав­лений (от десятых долей до целых единиц МПа) может быть описано линейной зависимостью Кулона

т=рЩц)+ С,

где т — предельное сдвигающее напряжение, МПа; р — нормаль­ное давление, МПа; 1§<р — коэффициент внутреннего трения; Ф — угол внутреннего трения, град; С — сцепление, МПа.

Величины ф и С являются параметрами зависимости сопро­тивления грунтов сдвигу, которые необходимы для инженерных расчетов прочности и устойчивости массивов грунтов.

Подробное рассмотрение процессов формирования прочности различных грунтов на основе обобщения результатов многочис­ленных экспериментальных исследований привело специалистов к выводу о том, что параметры прочности (ф и С) не являются однозначными факторами в формировании сопротивления сдвигу для глинистых и песчаных грунтов. Так, для песков основную роль играет внутреннее трение, выражаемое коэффициентом внутрен­него трения 1§ф, сцепление же носит подчиненный характер, главным образом, это сцепление-зацепление между отдельными частицами, вторичные цементационные связи между пленками

на поверхности песчаных частиц. Сцепление в песках обусловле­но, таким образом, морфоскопическими особенностями их зерен. В глинистых грунтах главная роль принадлежит сцеплению С, в силу развитых внутренних связей различного характера и приро­ды в этих грунтах. Несколько упрощая вопросы формирования прочности в грунтах различного состава и строения, можно условно записать, что в зависимости Кулона в глинах коэффици­ент внутреннего трения 1§ср стремится к нулю, а в песках, в свою очередь, сцепление С стремится к нулю.

Минеральный состав песков и глин определяет характер со­противления их сдвигу; для глинистых грунтов характерно сопро­тивление их одноосному сжатию и разрыву. Содержание в песках слюд, хлорита, талька и других минералов, характеризующихся низкими показателями трения, снижает сопротивление таких песков сдвигу. Наименьшее сопротивление сдвигу и сжимаемость характерны для монтмориллонитовых глин.

Исключение составляют глины в воздушно-сухом состоянии, по изложенным выше причинам. Наибольшее сопротивление на одноосное сжатие и разрыв будет присуще тем же глинам, благо­даря дегидратации, обусловливающей образование в фунте мак­симума контактов, проявляющихся в степени развития ион-но-электростатических связей.

К числу факторов, влияющих на развитие структурных свя­зей, относятся степень дисперсности и однородности фунтов, их морфологические характеристики, степень развития вторичных пленок на зернах песков, количество связанной воды, состав об­менных катионов, значение коэффициента трения частиц друг о друга. Указанные факторы обусловливают прочность фунтов по изложенным причинам при рассмотрении их сжимаемости.

К настоящему времени накоплен значительный объем резуль­татов исследований, проливающий свет на процессы формирова­ния прочности фунтов и объясняющий природу трения и сцеп­ления, которые развиваются в фунтах и являются основными расчетными показателями прочности, используемыми в инженер­ных расчетах.

Физико-механические свойства дисперсных фунтов зависят, таким образом, от соотношения твердой и жидкой минеральных компонент фунта. В последнее время получены данные о влия­нии на физико-механические свойства органики (гумуса) элемен­тов биоты и газовой компоненты и о чрезвычайно важной роли в этом структурно-текстурных особенностей дисперсных фунтов. К примеру, как это уже отмечалось, глинистые фунты обладают сопротивлением сжатию и на разрыв, в песчаных фунтах послед­нее свойство практически не проявляется. 180

Формирование физико-механических свойств скальных фун­тов имеет свои специфические особенности, весьма важные и необходимые для познания их природы и прогноза проявления. При изучении скальных горных пород важно установить содер­жание в них породообразующих минералов. Наибольшее значе­ние имеют минералы класса первичных силикатов — полевые шпаты, пироксены, амфиболы, оливин и др. С определенной условностью к ним относят кварц, у которого, как известно, пре­обладают внутрикристаллические связи. Играют роль и простые соли: карбонаты, сульфаты, галоиды имеют ионный тип связей, которые существуют внутри самих минералов (атомов, ионов, ра­дикалов). Свойства же минералов передаются свойствам фунтов.

Наибольшее значение для скальных пород имеет их трещино-ватость. К скальным породам с кристаллическими и структурны­ми связями относятся, главным образом, магматические и мета­морфические. При пористости 1—5 % эти породы могут характеризоваться трещинной системой объемом в 10—20 %. Очевидно, что водопроницаемость трещиноватых фунтов, физи­ко-механические свойства определяются не столько их пористо­стью, сколько трещиноватостью.

В настоящее время выделяют различные генетические типы трещин:

• первичной отдельности, или литогенетические, обычно тон­
кие, чистые от заполнителя, закономерно ориентированные;

• выветривания, иногда значительные по размерам, затухаю­
щие с глубиной, с различным по составу заполнителем;

• тектонического происхождения, различного, иногда весьма
значительного размера, незатухающие с глубиной, с различным за­
полнителем или без него.

Иногда выделяют также специфические трещины исключите­льно сейсмогенного происхождения. Для характеристики трещи-новатости разработаны специальные приемы, описывающие их ориентированность, размеры и другие параметры.

Трещины подразделяют на тонкие (менее 1 мм), мелкие (1—5 мм), средние (5—20 мм), крупные (20—100 мм) и очень крупные (более 100 мм).

Высокая прочность магматических и метаморфических пород, как уже отмечалось, объясняется наличием структурных кристал­лизационных связей химической природы. Под воздействием факторов выветривания магматические и метаморфические гор­ные породы разрушаются; если физическое выветривание преоб­ладает над химическим и разрушение сводится в основном к дроблению фунтов, то при участии процессов денудации из вы­ходящих на поверхность фунтов образуются крупнообломочные

и песчаные породы со слабыми молекулярными, капиллярными и электростатическими структурными связями. В случае, когда химическое выветривание преобладает над физическим, из на­званных горных пород формируются чаще всего глинистые и, может быть, лессовые, но скорее всего пылеватые породы с чрез­вычайно разнообразными свойствами.

Примечательно, что скальные фунты, представленные карбо­натными, сульфатными и галоидными породами, сцементирован­ными, крупнообломочными и мелкообломочными породами, пес­чаниками, характеризуются в свойствах степенью литификации, качеством и количеством цемента для последних.

При характеристике деформационных свойств скальных фун­тов принимают во внимание модуль деформации Е, модуль упру­гости Е_у и модуль обшей деформации Е_о. Модуль упругости ра­вен отношению напряжения т при одноосном сжатии к относительной обратимой деформации:

Модуль общей деформации равен отношению напряжений при одноосном сжатии к общей относительной деформации:

Ео = х/е₀

Для упругодеформируемого материала модуль упругости и мо­дуль общей деформации устанавливаются для определенной ве­личины и продолжительности действия давления.

Модуль упругости и модуль общей деформации зависят от ха­рактера фунта и его структуры: для скальных пород Еу/Е_о « 2. По­казателем деформационных характеристик скальных фунтов слу­жит также коэффициент Пуассона ц, определяющий, в какой мере происходит изменение объема фунта в процессе деформации.

Коэффициент Пуассона представляет собой собственно харак­теристику упругой деформации, зависящую в основном от свойств породообразующих минералов. Эта характеристика поро­дообразующих минералов изменяется в широком диапазоне от 0,08 до 0,34, что определяется особенностями кристаллической решетки и направлением реализации напряжений относительно кристаллофафических осей. Коэффициент Пуассона зависит от минералогического состава фунта, пористости и трещиноватости.

Кроме отмеченного влияния на свойства скальных фунтов грещиноватости, очень велико воздействие на них степени вы-ветрелости скальных грунтов. Например, степени размягчаемости

в воде скальных грунтов — отношения временных сопротивленийк одноосному сжатию в водонасыщенном В^ и в воздушно-сухом Д, состояниях:

Следует отметить, что временное сопротивление фунта, осо­бенно скального, одноосному сжатию, или предел прочности на сжатие Кс_Ж, является чрезвычайно важной классификационной ха­рактеристикой, согласно которой проводится отнесение фунта к скальному (> 5 МПа) или нескальному (< 5 МПа). Естественно, эта характеристика описывает фунт в образце в измененных (при отсутствии естественного напряженного состояния) условиях.