Физические свойства грунтов

Согласно стандарту ГОСТ 25100-95, применяемому при инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве, грунтовые образования по совокупности признаков разделяют на следующие классы: природные скальные, природные дисперсные, природные мерзлые, техногенные.

Каждый класс в целях облегчения решения инженерных задач разделяется на группы, виды и разновидности. Наиболее часто в основаниях фундаментов встречаются природные дисперсные грунты, состоящие из отдельных слабо связанных между собой минеральных или органоминеральных зерен (частиц), воды и газа в пустотах (порах) между ними. Они подразделяются на связные и несвязные (сыпучие) грунты, которые ведут себя как сложная система. Изучение этого класса грунтов наиболее важно.

Влага частично или полно заполняет поры и находится во взаимодействии с твердыми частицами. Часть минералов инертна по отношению к воде (кварц, кремень, полевые шпаты и др.). Другие взаимодействуют с водой или растворяются в ней. Под действием поверхностных зарядов молекулы воды притягиваются к частицам и окружают их как пленкой. Кроме пленочной (связной) воды в грунтах выделяют капиллярную и гравитационную воду.

Связные грунты относятся к глинистым грунтам, которые подразделяют по числу пластичности I_p и показателю текучести I_L в соответствии с таблицами 1.1 и 1.2. Для их установления экспериментально определяют природную влажность w, влажности на границе между твердым и пластичным состояниями w_р и на границе между пластичным и текучим состояниями w_L. Методика проведения опытов, с которой следует ознакомиться, изложена в приложении 1. Число опытов для каждого выделяемого ИГЭ должно быть не менее10. В расчетах используется расчетное значение, равное среднеарифметическое значению (коэффициент надежности по грунту γ_g равен единице). Расчетные значения характеристик указаны в табл. 2.

Таблица 1.1

Разновидности глинистых грунтов по числу пластичности I_p

Разновидности глинистых грунтов	Число пластичности I_p
Супесь	От 1 до 7 включи.
Суглинок	Св. 7 до 17 включ.
Глина	Свыше 17

Примечание. Значения числа пластичности I_p вычисляются по формуле, приведенной в табл. 3.

Таблица 1.2

Разновидности глинистых грунтов по показателю текучести I_L

Разновидности глинистых грунтов	Показатель текучести
Супесь: твердая пластичная текучая	Менее 0 От 0 до 1 включи. Св. 1
Суглинки и глины: твердые полутвердые тугопластичные мягкопластичные текучепластичные текучие	Менее 0 От 0 до 0,25 включ. От 0,25 до 0,5 включ. От 0,5 до 0,75 включи. От 0,75 до 1 включи. Свыше 1

Несвязные или сыпучие грунты подразделяют по гранулометрическому составу (табл. 1.3), плотности сложения (табл. 1.4), водонасыщению (табл. 1.5).

Гранулометрический состав устанавливается по результатам просеивания пробы грунта через набор сит с разными размерами отверстий. Процентные содержания зерен различных размеров указаны в табл. 1.3. В табл.2 дано наименование песков по их зерновому составу.

Таблица 1.3

Разновидности грунтов по гранулометрическому составу

Разновидность грунтов	Размер зерен, частиц d, мм	Содержание зерен, частиц, в % по массе
Крупнообломочные: валунный (при неокатанных частицах – глыбовый) галечниковый (при неокатанных частицах - щебенистый) гравийный (при неокатанных частицах – дресвяный)	св. 200 св. 10 св. 2	св. 50 св. 50 св. 50
Пески: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	св. 2 св. 0,5 св. 0,25 св. 0,1 св. 0,1	св. 25 св. 50 св. 50 75 и свыше менее 75

Примечание. Содержание частиц различной крупности определяется ситовым методом.

Плотность сложения песчаных грунтов оценивается по коэффициенту пористости е (табл. 1.4), равному отношению объёма пор к объёму твердых частиц. Формула для его вычисления коэффициента пористости приведена в табл. 3.

Таблица 1.4

Разделение песков по плотности

Разновидности песков	Коэффициент пористости е
Пески гравелистые, крупные и средней крупности	Пески мелкие	Пески пылеватые
Плотный	Менее 0,55	Менее 0,6	Менее 0,6
Средней плотности	От 0,55 до 0,7 включ.	От 0,6 до 0,75 включ.	От 0,6 до 0,8 включ.
Рыхлый	Св. 0,7	Св. 0,75	Св. 0,8

Примечание. Формула для подсчета коэффициента пористости приведена в табл. 3

Водонасыщение песков оценивается по показателю водонасыщения S_r (табл1.5), равному отношению объёма содержащейся в порах грунта воды к объёму пор.

Таблица 1.5

Разновидности грунтов по водонасыщению

Разновидность грунтов	Коэффициент водонасыщения, S_r
Малой степени водонасыщения Средней степени водонасыщения Насыщенные водой	От 0 до 0,5 включ. Св. 0,5 до 0,8 включ. Свыше 0,8

Примечание. Коэффициент водонасыщения вычисляется по формуле, приведенной в табл. 3.

Показатели физического состояния используются для прогнозирования поведения грунтов в случаях изменения их состояния, часто в первую очередь при изменении температурного режима. Ежегодно грунты на территории России промерзают на некоторую глубину и находятся в мерзлом состоянии в течение всего холодного периода. Содержащаяся в них капиллярная и частично связная вода замерзают. Для "замещения" превратившейся в лед влаги из влажных нижних слоев, где её больше, к фронту промерзания под действием электромолекулярных сил начинается движение воды, называемое миграцией. Объёмное расширение (примерно на 9%) замерзающей воды, как находившейся в порах, так и мигрирующей в зону промерзания, за счет чего в мерзлом грунте происходит накопление льда, приводит к значительному увеличению объёма грунта, называемое морозным пучением. Его характеристикой является относительная деформация пучения S_fh, определяемая из выражения

S_fh = (h_o_,_f – h_o) / h_o,

где h_o_,_f – высота мерзлого образца или слоя грунта;

h_o – высота образца или слоя талого грунта.

Количественную оценку силы и деформации морозного пучения давать сложно. Имеется только возможность прогнозирования морозного пучения по параметрам, указанным в табл. 1.6, которая находит применение при решении практических задач.

Таблица 1.6

Разновидности грунтов по морозному пучению

Разновидность грунтов	Относительная деформация пучения e_fh, д.е.	Характеристика грунтов
Практически непучинистые	0,01 и менее	Глинистые при I_L £ 0 Крупнообломочные с заполнителем до 10 %. Пески гравелистые, крупные и средней крупности. Пески мелкие и пылеватые при S_r £ 0,6.
Слабопучинистый	Св. 0,01 до 0,035 вкл.	Глинистые при 0 < I_L £ 0,25. Пески пылеватые и мелкие при 0 < S _r £0,8. Крупнообломочные с заполнителем (глинистым, песком мелким и пылеватым), от 10 до 30 % по массе.
Среднепучинистый	Св. 0,035 до 0,07 вкл.	Глинистые при 0,25 < I_L £ 0,5. Пески пылеватые и мелкие при 0,8 < S _r £0,95 Крупнообломочные с заполнителем более 30 % по массе.
Сильнопучинистый	Св. 0,07	Глинистые при I_L > 0,5. Пески пылеватые и мелкие при S _r > 0,95

Помимо морозного пучения некоторые разновидности грунтов при дополнительном увлажнении могут давать просадку (просадочные грунты) или способны набухать (увеличиваться в объёме).

Просадочные грунты имеют характерные признаки. Их влажность в природном состоянии обычно не превышает 0.08…0.16, степень влажности S_r <0.5, удельный вес сухого грунта g_d<16 кН/м³. В составе таких грунтов 80…90% частиц из кварца, полевого шпата и растворимых минералов. По строительной классификации они относятся к пылеватым супесям и суглинкам. При дополнительном увлажнении без изменения давления происходит быстро развивающееся уплотнение, называемое просадкой.

Набухание глинистых грунтов объясняется утолщением толщины окружающих частицы пленок связанной воды. В результате частицы раздвигаются и объём грунта увеличивается. На препятствующие увеличению объёма конструкции возникает давление, достигающее 0.3…0.5 МПа. При высыхании происходит уменьшение объём грунта, называемое усадкой.

Грунты с особыми свойствами, называемые структурно неустойчивыми, встречаются в регионах, которые известны. При строительстве на территориях, где они залегают, их особенности изучаются более детально.

Задача 1.1. Оценить физическое состояние указанных в задании слоев.

Пример 1.1.

ИГЭ 10 (табл. 2). Грунт глинистый. Число пластичностиI_р=w_L-w_р=39-20=19. Показатель текучести I_L=(w-w_р)/₍ w_L-w_р)=(34-20)/(39-20)=0,74
Согласно классификации (табл. 1.1, 1.2 и 1.6) грунт глина мягкопластичная, сильнопучинистая при сезоном промерзании.