Дорожно-строительные свойства грунтов

Материалом для возведения земляного полотна служит грунт. Грунт представляет собой сложную, динамически изменяющуюся дисперсную систему, в которую обычно входят три компонента: собственно грунт, вода и воздух, заполняющий свободные от воды поры грунта.

Важными показателями физико-механических свойств грунтов являются их связность, влажность и плотность.

Связность грунта характеризуется его сопротивлением растягивающим напряжениям в определенном интервале влажности. Чем больше в грунте содержится глинистых частиц, тем большей связностью будет обладать этот грунт в сухом состоянии. По степени связности грунты делятся на три группы:

1) легкие грунты, у которых частицы слабо связаны друг с другом;

2) тяжелые грунты, у которых частицы плотно связаны друг с другом и

3) скальные грунты, которые имеют очень твердые частицы, прочно связанные между собой.

Влажностью грунта называют отношение веса воды, содержащейся в грунте, к весу сухих грунтовых частиц (скелета грунта) в том же объеме. В зависимости от степени увлажнения связные грунты могут иметь различную консистенцию (состояние): твердую, пластичную или текучую.

Переход грунта из твердой консистенции в пластичную или из пластичной в текучую происходит довольно резко при определенных, так называемых критических характерных влажностях, которые используются в качестве наиболее важных характеристик грунта.

Пластическая консистенция грунта наблюдается в интервале между характерными влажностями, которые принято называть границей текучести и границей раскатывания.

Граница текучести (или верхний предел пластичности) характеризует- такую влажность, при которой грунт переходит от пластичной к текучей (полужидкой) консистенции грунта. При этой влажности связь между частицами нарушается, в порах между ними появляется свободная вода, и грунт теряет устойчивость. Границу текучести (дот) определяют в соответствии с ГОСТом при помощи специального прибора — балансирного конуса Васильева весом 76 г, погружаемого в грунтовое тесто, влажность которого постепенно увеличивают до тех пор, пока конус не погрузится на глубину 10 мм за 5 сек.

Граница раскатывания (нижний предел пластичности) соответствует влажности, при которой грунт находится на границе перехода от твердой к пластичной консистенции. При дальнейшем увеличении влажности грунт начинает резко снижать свою устойчивость под нагрузкой. Граница раскатывания (дор) определяется опытным путем по величине весовой влажности, при которой увлажненный грунт, раскатываемый в жгут толщиной 3 мм, начинает крошиться.

Разность дот— дор между границей текучести и границей раскатывания грунта называется числом пластичности. Чем больше число пластичности, тем больше интервал влажности, в пределах которого грунт обладает пластичной консистенцией.

Число пластичности связано с содержанием в грунтах тонкодисперсных фракций и характером глинистых частиц, входящих в состав грунта; по его величине можно судить о физико-механических свойствах грунта.

Важное практическое значение имеет относительная влажность грунта до0 — отношение естественной влажности грунта к границе текучести. Величиной относительной влажности можно характеризовать состояние, в котором находится грунт в природных условиях, и степень его устойчивости под нагрузкой в естественном залегании.

Плотность грунта связана с количеством содержащихся в нем пор, занятых водой и воздухом. Чем сильнее уплотнен грунт, тем плотнее расположены его частицы и, следовательно, меньше в нем воды и воздуха; такой грунт более устойчив и медленнее размокает.

Степень уплотнения грунта характеризуется объемным весом грунтовых частиц в сухом состоянии.

Наибольшую устойчивость грунта можно обеспечить при условии уплотнения его до максимальной плотности при оптимальной влажности, соответствующей данному грунту.

Под оптимальной влажностью грунта до0пт по уплотнению понимают влажность, при которой можно достичь наибольшей плотности при одинаковой (в соответствии с установленным стандартом) работе на уплотнение. По исследованию В. И. Бируля оптимальная влажность составляет примерно 0,60 влажности, соответствующей границе текучести (верхнему пределу пластичности) для грунтов степной зоны.

Для получения устойчивого земляного полотна грунты при постройке дорог подвергаются искусственному уплотнению, которое должно производиться при влажности грунтов, близкой к оптимальной.

На прочность и устойчивость земляного полотна существенное влияние оказывает вид примененного для строительства грунта, а также условия увлажнения дороги в процессе ее эксплуатации.

Свойства грунтов в значительной мере зависят от величины и соотношения составляющих их частиц, содержания органических веществ, количества и химического состава растворенных солей, а также от степени плотности и водонасыщенности грунта.

Грунты, состоящие из очень мелких частиц (мелкодисперсные грунты), существенно отличаются по своим свойствам от грунтов из крупных частиц. При увлажнении мелкодисперсные грунты превращаются в подвижную пластичную массу, при высыхании они твердеют. Благодаря мельчайшим порам между частицами, такие грунты впитывают воду, которая поднимается по их капиллярам на высоту нескольких метров. Все эти свойства проявляются в грунтах по-разному, в зависимости не только от степени раздробления частиц, но и от минерального состава, происхождения и химических процессов, протекающих при распаде (выветривании) монолитных горных пород.

Встречающиеся в природе грунты обычно представляют собой смесь песчаных (размерами 2,0—0,05 мм), пылеватых (0,05— 0,005 мм) и глинистых частиц (меньше 0,005 мм). Относительное содержание в грунте частиц различной величины носит название гранулометрического состава, в зависимости от которого грунты разделяются на различные виды.

При содержании в глинистых грунтах частиц крупнее 2 мм в количестве 20—50%о наименование грунта дополняют словом «гравелистый» (при окатанных частицах) и «щебенистый» при острореберных, неокатанных частицах.

Пески характеризуются отсутствием связности и пластичности вследствие незначительного содержания глинистых частиц (менее 3%). Они отличаются малой высотой капиллярного поднятия, являются хорошим материалом для возведения насыпей в местах с неблагоприятными гидрологическими условиями, так как при насыщении водой их прочность изменяется незначительно; в сухом состоянии песок несвязен, водопроницаем и легко поддается разработке. Чем крупнее и однороднее по размеру частицы песка, тем выше его пористость и водопроницаемость. Грунтовые дороги на песках в сухое время труднопроезжаемы. Откосы насыпей, возведенных из песка, требуют укрепления от размыва текущей водой и развеивания сильными ветрами. Примесь пылеватых частиц ухудшает дорожно-строительные свойства песчаных грунтов, так как при этом уменьшается их водопроницаемость, увеличивается влагоемкость и высота капиллярного поднятия.

Песок пылеватый — малосвязный, непластичный грунт, устойчивость которого при насыщении водой снижается; на откосах могут образовываться сплывы. В местах повышенного увлажнения для устройства земляного полотна он не рекомендуется.

Легкие крупные и легкие супеси — хороший материал для устройства земляного полотна как в сухих, так и во влажных местах, так как они вследствие благоприятного сочетания содержащихся в них количеств песка и глины обладают достаточной связностью и прочностью. Это лучший грунт для устройства грунтовых дорог, он хорошо уплотняется, быстро просыхает, легко разрабатывается. В увлажненном состоянии нелипкий.

При уменьшении размеров песчаных и увеличении содержания пылеватых частиц качество супесей ухудшается.

В пылеватых супесях содержание песчаных частиц недостаточно для прочности скелета при увлажнении, поэтому они вполне пригодны для возведения насыпей лишь в сухих местах; в сырых местах необходимо предусматривать меры предохранения грунта от увлажнения. Особенно неблагоприятны для возведения насыпей тяжелые пылеватые супеси, так как они обладают способностью высокого (до 2—3 м) и быстрого поднятия воды по капиллярам.

Суглинки характеризуются хорошей связностью ввиду высокого содержания глинистых частиц. В сухом состоянии обладают высокой прочностью, в связи с чем их разработка требует предварительного рыхления или использования мощных машин. Водопроницаемость слабая. Высота капиллярного поднятия велика, но скорость его незначительна. При хорошем уплотнении обеспечивают достаточную прочность и устойчивость насыпей, однако требуют применения тяжелых уплотняющих машин. На грунтовых дорогах после дождей образуется липкая и скользкая поверхность; дороги из таких грунтов при сильном увлажнении становятся почти непроезжаемыми.

Пылеватые суглинки характеризуются высоким капиллярным поднятием воды (до 3—4 м), которое происходит медленно.

Вследствие затрудненного передвижения паров воды по мелким порам грунта просыхание пылеватых суглинков происходит также медленно. Особенно опасно их увлажнение высокостоящими грунтовыми водами и поверхностной водой, что может вызвать накопление излишней влаги в верхних слоях земляного полотна. Для верхней части насыпей в сырых местах легкие пылеватые суглинки непригодны.

Глины — в сухом состоянии обладают очень большой плотностью и связностью; хорошо уплотненные, они практически водонепроницаемы. Глины трудно поддаются разработке. При плохом водоотводе недостаточно устойчивы под нагрузкой. При использовании глин для устройства земляного полотна необходимо особо тщательное уплотнение, что требует применения мощных уплотняющих машин, и обеспечение хорошего водоотвода. При увлажнении быстро размягчаются, становятся липкими и пластичными. Просыхают крайне медленно. Капиллярное поднятие воды очень высокое, но перемещение ее весьма медленное.