Основные физико-механические свойства грунтов

Грунт — это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные. К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы — плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Объемная масса породы — это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.

Пористость — это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.

Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к массе абсолютно сухой породы в процентах.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации K_ф имеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1
Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1
Песок:

пылеватый. . . . . . . . . . . . 0,01-1

мелкозернистый. . . . . . . 1-5

среднезернистый. . . . . . .5-20

крупнозернистый. . . . . . 2.0-50
Гравий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50-150
Галечник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-500

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность — это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Уцругость — свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность — это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок, супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2
Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3
Полускальные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,3-1,4
Скальные породы:

средней прочности . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,4-1,6

прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,6-1,8

очень прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8-2,0

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Прото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_кр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3,— к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с f_кр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие — к I группе.