Грунты, как основной объект инженерно-геологических исследований

Тема 4

1. Основные сведения.

Грунты – это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека.

Изучением различных горных пород для обоснования строительства сооружений занимается наука – грунтоведение. Возведение инженерных сооружений осуществляется либо в самом поверхностном слое земли, и тогда этот слой служит основанием сооружения, либо производится под поверхностью земли, и тогда грунт является средой для сооружения. В обоих случаях горная порода изучается в ненарушенном сложении. Грунт может служить также и материалом для сооружения (земляные плотины, насыпи, дамбы).

При оценке свойств грунтов, выступающих в роли оснований, большое внимание уделяется их деформативным и прочностным показателям. Эти показатели находятся в зависимости от многих других показателей грунтов: химико-минерального состава, структуры и текстуры, характера взаимодействия грунтов с водой, степени их выветрелости и ряда других показателей. Недостаточный учёт свойств грунтов ведёт к ошибкам при проектировании и строительстве зданий и сооружений, что приводит к уменьшению прочности в период эксплуатации.

Под прочностью понимается сопротивление грунтов действию различных внешних факторов.

Свойства грунтов во многом зависят от их происхождения (генезиса), поэтому все породы делят на три генетических типа: магматические , осадочные и метаморфические. Классификация грунтов включает шесть таксономических единиц по следующим группам признаков:

класс – по характеру структурных связей;

группа – по происхождению (генетическое подразделение первого порядка);

подгруппа – по условиям образования (генетическое подразделение второго порядка);

тип – по петрографическому составу, гранулометрическому составу и степени его неоднородности, числу пластичности;

вид – по структуре, текстуре, составу цемента, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, способу преобразования и степени уплотнения от собственного веса;

разновидность – по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию.

В инженерно-геологической классификации выделяют два класса: скальные (включая полускальные) и нескальные грунты.

2. Скальные грунты.

К скальным относятся все грунты с жёсткими связями между частицами. Эти связи могут быть кристаллизационными, возникающими в процессе формирования породы, и цементационными, образованными цементирующими растворами. Класс включает две группы грунтов:

1) Скальные, куда входят три подгруппы пород: магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и хемогенные.

У некоторых скальных грунтов в основном осадочного происхождения, кристаллизационные связи ослабляются при увлажнении и частично заменяются подвижными водноколлоидными связями. Эту группу называют полускальными.

2) Полускальные в виде двух подгрупп – магматические излившиеся и осадочные породы типа мергеля и гипса.

Деление грунтов этого класса на типы устанавливается по их петрографическому составу (минеральный состав, структурно-текстурные связи). Вид скальных грунтов устанавливается также по качественным показателям – структурно-текстурным признакам, составу цемента и примесей. Так, например, по структуре выделяют грунты крупно-, средне- и мелкокристаллические. По текстуре – массивные, полосчатые, слоистые, сланцеватые. По составу цемента - кремнистые, железистые, карбонатные, глинистые, гипсовые и др. По составу примесей – окремнелые, ожелезнённые, глинистые и др. Все разновидности скальных грунтов разделяются по количественным критериям, характеризующим прочность, степень засоленности, размягчаемость и растворимость в воде, температуру и содержание льда в грунте. Для оценки свойств массивов скальных грунтов важное значение имеет установление степени выветрелости и трещиноватости грунтов. Классификационные характеристики массивов скальных грунтов определяются согласно СНИП.

3. Нескальные грунты.

Нескальные грунты являются дисперсными, т.е. состоят из обломков различной крупности. В этот класс входят только осадочные породы. Для этих грунтов характерны механические и водноколлоидные структурные связи. Класс подразделяется на две группы:

1) связные грунты делятся на три подгруппы:

- минеральные (глинистые грунты);

- органоминеральные (илы, сапропели, заторфованные земли);

- органические (торфы).

2) несвязные грунты представлены песками и крупнообломочными породами и делятся на три подгруппы:

- силикатные;

- карбонатные;

- полиминеральные.

В ГОСТ 25100-95 классификация грунтов этого класса рассматривается отдельно для каждого вида.

В подгруппе пылеватых и глинистых грунтов выделяются следующие типы: супеси, суглинки, глины, лёссовые грунты. Тип этих грунтов устанавливается по числу пластичности – I_р, %. Вид выделяется по относительному содержанию органических веществ. Разновидности пылеватых и глинистых грунтов выделяются по консистенции – I_L, по относительному набуханию – ɛ_SW, по относительной просадочности – S_SL, по степени засоленности, температуре грунта и льдистости, степени цементации льдом.

Тип крупнообломочных грунтов устанавливается по гранулометрическому составу – валунный, галечниковый, гравийный. Вид определяется по наличию и составу заполнителя. Разновидности крупнообломочных грунтов выделяются по четырём признакам: степени влажности – S_r, степени засоленности, температуре грунта и льдистости, степени цементации льдом.

Тип песчаных грунтов выделяется по гранулометрическому составу (по крупности песков): гравелистый, крупный, средней крупности, мелкий, пылеватый; по степени их неоднородности – однородный и неоднородный. Виды песчаных грунтов выделяются по плотности сложения (коэффициенту пористости – е) и относительному содержанию органических веществ – I_от. Разновидности песчаных грунтов выделяются по степени влажности, степени засоленности, температуре грунта и льдистости, по степени цементации льдом.

4. Почвы.

При производстве строительных работ предъявляются требования по охране и рекультивации почв. В связи с этим почвы выделяются в отдельную подгруппу осадочных несцементированных грунтов. В ряде регионов их запрещается использовать в качестве основания зданий и сооружений. Общим требованием является их удалении из-под зданий и сооружений с последующей рекультивацией.

Типы почв выделяются по их составу, исходя из следующих критериев:

1) почвы щебенистые, дресвяные и песчаные выделяются по гранулометрическому составу также, как типы крупнообломочных и песчаных грунтов;

2) почвы пылеватые и глинистые выделяются по числу пластичности также, как типы пылеватых и глинистых грунтов.

Виды почв выделяются по трём признакам:

1) по составу заполнителя – как виды крупнообломочных грунтов (применительно к щебенистым и дресвяным почвам);

2) по плотности сложения – как виды песчаных грунтов (применительно к песчаным почвам);

3) по наличию включений частиц крупнее 2 мм – как виды пылеватых и глинистых грунтов (применительно к пылеватым и глинистым почвам).

Разновидности почв выделяются по признакам, которые можно объединить в две группы:

1) по назначению водородного показателя – рН

- кислые;

- нейтральные;

- щелочные;

2) по степени влажности, консистенции, относительной просадочности, относительному набуханию, степени засоленности, температуре грунта и степени цементации льдом – как разновидности крупнообломочных, песчаных, пылеватых и глинистых и заторфованных грунтов.

5. Искусственные грунты.

Искусственные грунты – это грунты природного происхождения, закреплённые и уплотнённые различными методами, насыпные и намывные грунты, а также твёрдые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека.

Искусственные грунты включены в класс скальных и в класс нескальных грунтов.

Виды искусственных скальных грунтов выделяются по способу преобразования естественных грунтов в природном залегании:

- скальные – закреплённые цементными растворами, жидким силикатом, глинисто-силикатными растворами, расплавленными битумами и т.п.;

- крупнообломочные нескальные – закреплённые цементными и песчано-цементными растворами, расплавленным битумом, способом замораживания и т.п.

- песчаные несцементированные – закреплённые цементом, известью, жидким силикатом, карбамидными смолами способом замораживания и т.п.;

- пылеватые и глинистые несцементированные – закреплённые известью, золами, жидким силикатом, способами термической обработки, замораживания и т.п.

Виды искусственных нескальных грунтов выделяются по способу их преобразования:

- для типов песчаных грунтов – уплотнённые методами трамбования, укатки, осушения, оттаивания, глубинного виброуплотнения и т.п.;

- для типов пылеватых и глинистых, биогенных грунтов и почв - уплотнённые с использованием электроосмоса поверхностно-активных веществ, методами трамбования, укатки, оттаивания, осушения и т.п.

Виды насыпных и намывных грунтов выделяются по степени уплотнения от собственного веса:

- слежавшиеся – процесс уплотнения закончился;

- неслежавшиеся – процесс уплотнения продолжается.

Разновидности искусственных скальных грунтов выделяются по пределу прочности на одноосное сжатие (после закрепления) в водонасыщенном состоянии – R_с, по температуре и содержанию льда, как разновидности магматических, метаморфических и осадочных сцементированных грунтов.

Разновидности искусственных нескальных грунтов выделяются по показателям, устанавливаемым техническими заданиями на производство работ.

6. Техническая мелиорация грунтов.

При решении инженерно-строительных задач очень часто производят преобразование грунтов для улучшения их свойств в соответствии с требованиями видов строительства. Это приводит к созданию улучшенных по свойствам грунтов. Решением вопросов улучшения свойств грунтов занимается специальное направление геологии – техническая мелиорация.

Наиболее широкое применение техническая мелиорация грунтов нашла при строительстве зданий и сооружений в целях искусственного изменения свойств грунтов в сторону улучшения их основных свойств: прочности, водоустойчивости, снижения водопроницаемости, что особенно важно, когда эти грунты используются в качестве оснований.

Существует два пути получения улучшенных грунтов – уплотнение (изменение физическим воздействием) и закрепление (изменение физико-химическими методами).

Скальные грунты. Ослабление прочности скальных грунтов связано с трещиноватостью и пустотностью. Трещины скрепляются металлическими скобами; заделываются цементными и силикатными растворами (тампонажное закрепление), что придаёт скальным грунтам монолитность и прочность. В целях прекращения фильтрации воды, трещины заливают горячим битумом или забивают глиной. Аналогичные способы используют для пустот. Водорастворимые скальные грунты (например, хемогенные известняки) защищают укладкой на их поверхность слоёв глин или тяжёлых суглинков.

Дисперсные грунты. Улучшить свойства рыхлых и связных грунтов можно следующими методами:

- физико-механические методы;

- физико-химические;

- химические.

Физико-механические методы.

При механических методах дисперсные грунты уплотняются внешними нагрузками. Различают следующие способы уплотнения грунтов:

1. трамбование (применяются для уплотнения пылевато-глинистых грунтов);

2. грунтонабивные сваи (наибольший эффект они дают в лёссовых просадочных грунтах);

3. виброуплотнение (применяется для повышения плотности песков);

4. энергия взрывов – сейсмическое уплотнение (применяется в водонасыщенных песках, лёссовых грунтах в глубине массивов);

5. укатка грунтов (применяется в основном в дорожном строительстве, а также при планировке территорий и подготовке оснований под полы);

6. гравитационное уплотнение (применяется для уплотнения водонасыщенных грунтов – илов, торфяников);

7. метод замачивания (применяется для уплотнения лёссовых просадочных грунтов).

При физических методах используют физические поля (электрические, температурные, магнитные). С помощью этих методов можно повышать плотность, прочность, водостойкость, морозостойкость грунтов, устранять просадочные свойства в лёссовых грунтах:

1. электрохимическое уплотнение, электроосматическое осушение (пропускание постоянного электрического тока через сильно увлажнённые глинистые грунты, для улучшения эффективности в грунт вводят растворы солей или химических веществ);

2. обжиг (применяется для устранения просадочных свойств маловлажных лёссовых грунтов);

3. замораживание (используется для временного закрепления обводнённых грунтов).

Физико-химические методы.

Эти методы предназначены для обработки на поверхности земли дисперсных грунтов. К физико-химическим методам относятся:

1. солонцевание грунтов – обработка солями;

2. глинизация («кольматация») – обработка глиняными растворами;

3. гидрофобизация – покрытие грунтовых структур поверхностно-активными веществами, которые позволяют грунту отталкивать воду.

В промышленно-гражданском строительстве наиболее эффективным методом является кольматация для укрепления лёссовых грунтов и песков.

Химические методы.

При химических методах для улучшения свойств грунтов в них вводят органические и неорганические вяжущие вещества. Наиболее широко применяются следующие химические методы:

1. битумизация – введение в грунты битумов;

2. смолизация – упрочнение глинистых грунтов синтетическими полимерами (смолами);

3. силикатизация – внедрение в грунты технического силиката натрия (жидкого стекла). Этот метод используют для закрепления песков и лёссовых просадочных грунтов, также можно закреплять трещиноватые скальные грунты;

4. Цементация – введение раствора цемента под давлением. Это метод особенно хороший эффект даёт в песках, гравии, галечниках, суглинках, супесях.

В настоящее время широко применяют армированные грунты (армогрунты), где в качестве упрочняющего элемента используют сталь, но в последнее время сетки и каркасы из пластмасс.

Вопросы для самопроверки:

1. Что понимается под прочностьюгрунтов?

2. Классификация по строительным призакам.

3. Дайте характеристику скальным грунтам.

4. Дайте характеристику нескальным грунтам.

5. Охарактеризуйте типы и виды почв.

6. Перечислите признаки разновидности почв.

7. Охарактеризуйтевидыискусственных скальных грунтов.

8. Охарактеризуйте виды искусственных нескальных грунтов.

9. Что такое техническая мелиорация грунтов?

10. Механические методы улучшения свойств грунтов.

11. Физические методы улучшения свойств грунтов.