Физические свойства и классификация грунтов
Основные сведения об основаниях и фундаментах
Чтобы проектировать и строить фундаменты не только экономично, но, главное, надежно необходимо ясно представлять, как передаются на грунты нагрузки от сооружений, особенности поведения грунтов под действием на них сжимающих, выдергивающих и сдвигающих нагрузок, как изменяются свойства разных грунтов при действии на них воды. Ниже приведены основные положения и понятия, без которых невозможно перейти к изучению непосредственно конструкций фундаментов.
Для изучения и полноценного восприятия информации по фундаментам также необходимо знать основы инженерной геологии, механики грунтов и гидрогеологии. Инженерная геологияизучает и оценивает влияние геологических факторов на работу проектируемых зданий и сооружений, а также возможные изменения этих факторов в результате нарушения природных условий при возведении и эксплуатации зданий и сооружений. Механика грунтов занимается изучением напряженно-деформируемого состояния и физико-механических свойств грунтов оснований, разработкой методов расчета прочности и деформаций оснований, способов определения давления грунтов на ограждающие конструкции. Гидрогеологияизучает подземные воды, содержащиеся в толще грунтов.
Происхождение и состав грунтов
Грунты – горные породы, используемые как основание, среда или материал для возведения сооружения. По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.
Магматические (изверженные) породы, образовавшиеся в результате застывания магмы, имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты.
Осадочные породы, образовавшиеся в результате разрушения (выветривания) горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды или воздуха, могут быть скальными или нескальными. По своему происхождению скальные грунты делятся на континентальные и морские отложения.
Метаморфические породы – это претерпевшие изменения под влиянием высоких температур и больших давлений магматические и осадочные породы, они характеризуются наличием жестких, преимущественно кристаллических связей и классифицируются как скальные грунты.
В зависимости от возраста грунты относят к различным геологическим системам. Самыми молодыми осадочными грунтами являются отложения четвертичной системы, которые наиболее часто используются в инженерной деятельности.
Грунты, как правило, являются трехфазными системами и состоят из твердых частиц, поры между которыми заполнены газом и водой. Строительные свойства грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом, структурой, текстурой и состоянием в природном залегании.
Под структурой грунта понимают размер, форму и количественное соотношение слагающих его частиц, а также характер связи между ними.
По характеру структурных связей выделяют грунты с жесткими (кристаллизационными) связями, которые развиты в магматических, метаморфических и осадочных сцементированных породах, т.е. в скальных грунтах, и грунты с водно-коллоидными связями, которые характерны для глинистых грунтов.
Под текстурой грунтов понимают пространственное расположение элементов грунта с разным составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте. Текстурные особенности грунтов определяют пути фильтрации воды, интенсивность и направление деформаций сдвига массива грунта.
Физические свойства и классификация грунтов
В соответствии с [29] различают грунты скальные, крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, и почвы. В отдельную группу выделяют искусственные грунты.
Физические свойства грунтов характеризуются следующими основными параметрами: плотностью, пористостью, пластичностью, влажностью. Одной из основных характеристик грунта является плотность.
Для грунтов различают:
· плотность частиц грунта рs – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта;
· плотность грунта р – отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему;
· плотность сухого грунта рd – отношение массы сухого грунта к занимаемому этим грунтом объему (включающие в этом грунте поры).
Плотность сложения грунта (степень уплотненности) характеризуется пористостью п или коэффициентом пористости е и плотностью сухого грунта.
Значение коэффициента е для грунтов меняется в довольно широких пределах. Для достаточно уплотненных грунтов е <1, если же е >1, то это показывает, что грунт весьма рыхлого, неуплотненного сложения, и строительство на таких грунтах требует специальных мер по искусственному их упрочнению.
Влажность грунтов определяется высушиванием грунта при t=105оС до постоянной массы. Отношение разности масс пробы до и после высушивания к массе абсолютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое в процентах или долях единицы. Долю заполнения пор грунта водой называют степенью влажности. Влажность песчаных грунтов (за исключением пылеватых) изменяется в небольших пределах и практически не влияет на прочностные и деформативные свойства этих грунтов.
Пластичность – свойство грунта под действием внешних сил не разрушаться и сохранять свою форму после устранения этих сил, причем свойствами пластичности грунт обладает только при определенных значениях влажности.
Грунты в зависимости от содержания пылевато-глинистых частиц делят на пластичные (пылевато-глинистые) и непластичные (песчаные). В зависимости от влажности пылевато-глинистые грунты могут быть в твердом, пластичном и текучем состоянии. Непластичные (песчаные) грунты сыпучи, в сухом состоянии не обладают свойствами пластичности.
По гранулометрическому составу классификация песков следующая:
· гравелистый (2мм) 25% (от массы воздушно-сухого грунта),
· крупный (0,5мм) 50%,
· средний (0,25мм) 50%,
· мелкий (0,1мм) 75%,
· пылеватый (0,025мм) 75%.
Песчаное основание значительной мощности дает быстро затухающую и равномерную осадку и не обладает свойствами пучения.
Среди нескальных грунтов выделяют крупнообломочные грунты – щебень, гальку, гравий. Они содержат по массе более 50% кристаллических и осадочных пород крупностью более 2мм, в отличие от песка, где их менее 50%.
Крупнообломочные грунты малосжимаемы и, как правило, дают под нагрузкой небольшие и равномерные осадки и не обладают пучинистостью.
Пески и крупнообломочные грунты по своим природным характеристикам служат хорошим основанием для зданий и сооружений.
К пылевато-глинистым грунтам относят супеси, суглинки, глины, илы, лессовые грунты. Лессовые грунты – это макропористые грунты, содержащие карбонаты кальция и способные при замачивании водой давать под нагрузкой просадку, легко размокать и размываться. Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделить грунты также со специфическими неблагоприятными свойствами – при замачивании водой или химическими растворами грунты увеличиваются в объеме и без нагрузок.
Особую группу нескальных грунтов составляют грунты, характеризуемые значительным содержанием органических веществ, биогенные (заторфованные грунты, торфы, сапропели – пресноводные илы), которые не рекомендуется использовать в качестве основания для зданий и сооружений.