Предельное сопротивление сдвигу сыпучих и связных грунтов

Практику интересует в первую очередь максимально возможное сопротивление грунтов сдвигу, так называемое предельное сопротивление, т. е. когда наступает фаза такого напряженного состояния грунта, что возникают площадки скольжения (для которых максимальный угол отклонения равен углу трения) и нарушается сплошность грунта.

Сыпучие и связные грунты имеют свои особенности при изучении их предельного сопротивления сдвигу. Сыпучие грунты, как правило (исключение составляют лишь слюдистые пески), при увеличении или уменьшении внешнего давления незначительно изменяют свою плотность, и практически при давлениях от 1 до 4 кг/см2 этими изменениями можно пренебречь. Однако природная плотность песков или резкое изменение ее, например, при вибрировании уже существенно влияет и на сопротивление песков сдвигу.

После приложения вертикальной нагрузки и затухания деформаций от этой нагрузки образец подвергают в специальном односрезном приборе с зубчатыми штампом и поддоном действию постепенно возрастающей горизонтальной нагрузки до некоторой максимальной ее величины, при которой возникают беспрерывные скольжения (сдвиги) грунта по грунту. По полученному значению сдвигающей силы, которая вызывает незатухающие скольжения грунта, определяют величину сдвигающего напряжения  как частное от деления сдвигающей силы на площадь среза. Таким образом, опытами определяется максимальное сопротивление грунта сдвигу, сверх которого грунт уже не может сопротивляться сдвигающей нагрузке, так как возникает беспрерывное скольжение одной части грунта по другой. По результатам нескольких срезов при различных внешних уплотняющих давлениях строится диаграмма зависимости между сжимающими напряжениями и сдвигающими.

Как показывают результаты многочисленных испытаний для сыпучих грунтов, диаграмма сопротивления сдвигу представляет собой строго прямую, исходящую из начала координат и отклоненную под углом к оси давлений. Так как сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление их трению, то угол носит название угла внутреннего трения сыпучего грунта, и коэффициента внутреннего трения.

Зависимость  установлена еще Кулоном в 1773 г.1 и может быть сформулирована следующим образом: сопротивление сыпучих грунтов сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональное нормальному давлению. Это и есть так называемый закон Кулона (третий закон механики грунтов) для сыпучих грунтов.

Связные грунты (глины, суглинки и супеси) отличаются от сыпучих грунтов тем, что частицы их связаны между собой адсорбированными пленками воды, коагулированными коллоидами и цементирующими веществами, вследствие чего даже при весьма малых деформациях сдвига грунт обладает известной прочностью, обусловленной силами сцепления.

Если общее сопротивление сыпучих грунтов сдвигу зависит от плотности упаковки их частиц, то сопротивление дисперсных связных грунтов сдвигу еще в большей степени зависит от их плотности и непосредственно связанной с ней влажности.

Так как в глинах влажность и давление связаны однозначной зависимостью, то при испытании глинистых и вообще всех дисперсных связных грунтов следует обращать особое внимание на то, чтобы все образцы испытываемого грунта имели практически одну и ту же влажность или плотность. Как было показано выше, это достигается путем испытания нескольких образцов грунта, предварительно уплотненных до наибольшего давления, а затем разгруженных до меньших значений давлений, при которых и определяется предельное сопротивление сдвигу.

Основными видами испытаний на сдвиг являются испытание по открытой системе (консолидированно-дренированное) и быстрое испытание по закрытой системе (неконсолидированно-недренированное). При испытании по открытой системе образцы грунта после разгрузки выдерживают до момента полного затухания их деформаций, т. е. когда давление полностью передастся на скелет грунта. Точно так же и сдвигающую нагрузку, прикладываемую возрастающими ступенями, выдерживают до практически полного затухания деформаций сдвига от каждой ступени в грунтах.

При исследовании связных грунтов испытывают несколько (не менее двух) образцов грунта на предельное сопротивление их прямому срезу. Как отмечалось ранее, при испытании плотных глин на приборах прямого среза необходимо учитывать фактическую поверхность среза, т. е. при небольших нагрузках вводить поправку на косой срез, пересчитывая напряжения по формулам, что может существенно сказаться на величине получаемых расчетных характеристик.

Результаты испытаний грунтов на сопротивление сдвигу изображают в виде диаграммы, откладывая по вертикальной оси максимальное (предельное) сопротивление сдвигу, а по горизонтальной — величину нормального сжимающего напряжения (эффективного давления).

Многочисленные испытания связных грунтов на сопротивление их прямому сдвигу показывают, что все экспериментальные точки при не очень больших давлениях (примерно меньших 7 кг/см2) весьма точно укладываются на прямую линию.

Закон Кулона для связных грунтов, может быть сформулирован следующим образом: предельное сопротивление связных грунтов сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (сжимающего эффективного напряжения) и состоит из двух частей: первой, не зависящей от нормального давления, и второй, прямо пропорциональной нормальному давлению.

Величины являются математическими параметрами прямолинейной диаграммы сдвига, постоянными для данного физического состояния грунта (данной его плотности). Если связный грунт испытывает лишь весьма малые деформации сдвига, то его сопротивление будет зависеть почти исключительно от величины с, обусловленной действием всех видов сил связности, которое обычно называется сцеплением грунта, при больших же деформациях к сопротивлению сдвига будет прибавляться второе слагаемое, которое можно рассматривать как сопротивление грунта трению. Однако на практике бывает весьма трудно выделить часть сопротивления сдвигу, не зависящую от нормального давления (сцепление), и часть, ему прямо пропорциональную (трение), так как всякое изменение давлений сказывается не только на второй составляющей, но и на первой.

Если же испытывать глинистый грунт по закрытой системе (недренированное испытание) при различных давлениях, но без изменения содержания влаги (быстрый сдвиг), то обычно сопротивление сдвигу почти не будет зависеть от величины внешнего давления (сжимающего напряжения с), т. е. в этом случае сопротивление сдвигу определится силами сцепления грунта. Отметим, что если испытывать образцы глинистого грунта разной влажности по закрытой системе (недренированно-неконсолидированные испытания), то каждой плотности — влажности будут соответствовать свои значения параметров. Таким образом, сопротивление сдвигу связных деформаций сдвига будет определяться их сцеплением, а чисто сыпучих грунтов — только их трением. Во всех же остальных случаях не представляется возможным отделить «чистое сцепление» от «чистого трения», и расчетные характеристики сопротивления сдвигу грунтов необходимо рассматривать как математические параметры прямолинейной диаграммы сдвига связных грунтов.

Плотность сыпучих грунтов.

Естественная плотность сыпучих грунтов (песчаных и гравелистых различного состава, а также пылеватых песков) имеет первостепенное значение при оценке их свойств как оснований для сооружений, но определить ее в естественных условиях визуально (на глаз) не представляется возможным.

О плотности сыпучих грунтов судят или по величине их коэффициента пористости при сравнении с величиной коэффициента пористости тех же грунтов, но при более плотном и более рыхлом состоянии, или по результатам испытания грунтов в естественных условиях на пенетрацию (вдавливание).

Последний способ применяется для оценки как относительной плотности сыпучих, так и консистенции глинистых грунтов, а так же как особый метод опробования грунтов в природных условиях.

Для чистых сыпучих грунтов (преимущественно кварцевых) можно при оценке их плотности ограничиться определением лишь величины коэффициента пористости, соответствующего условиям естественного залегания.

Так, плотность песчаных грунтов по нормативным данным оценивается по величине коэффициента пористости (определяемого по образцам ненарушенной структуры или тарировочным зондом).

Конечно, для песков не кварцевых (например, слюдистых) эти данные непригодны. Поэтому для более общей характеристики плотности песчаных грунтов находят так называемый (Е мин) минимальный коэффициент пористости грунта в самом плотном состоянии (определяется для грунта, уплотненного до постоянного объема в металлической колбе путем вибрирования или многократного постукивания).

Поскольку определения Е макс. и Е мин. несколько условны, поэтому относительную плотность сыпучих грунтов, определяемую по, следует рассматривать лишь как качественную характеристику.

В зависимости от плотности природных песков (включая и пылеватые) по нормам рекомендуются различные величины расчетных сопротивлений, причем для рыхлых грунтов расчетное сопротивление вообще не нормируется, а рекомендуется определять его по результатам специальных исследований.

Для определения соотношения плотности отдельных пластов грунта в условиях их естественного залегания применяется зондирование (пенетрация), которое широко распространено, так как этот способ довольно дешевый.

Различают динамический метод зондирования, когда пенетрометр (обычно это конический наконечник, навинченный на буровую штангу) забивается в грунт на определенную глубину (около 30 см) стандартным грузом со стандартной высоты падения, и статический метод зондирования, когда конический пенетрометр на заданной отметке вдавливается в грунт, причем по динамометру, смонтированному на штанге, замеряется максимальное давление. Изменение давления при пенетрации по глубине скважины дает характеристику относительно плотности залегания грунтов. Следует указать, что в настоящее время больше применяется статическое зондирование по сравнению с динамическим, и уже предпринимаются попытки связать показатели статического зондирования с количественными характеристиками механических свойств грунтов.

Коэффициент водонасыщенности.

В условиях естественного залегания грунты обладают той или иной влажностью. В природных условиях можно встретить как воздушно-сухие грунты (например, пески выше уровня грунтовых вод), так и грунты, все поры которых заполнены водой.

Наличие в грунте воды влияет на пористость, а следовательно и на плотность залегания грунтов. Особое значение приобретает содержание воды в глинах. В зависимости от влажности глину можно рассматривать как вязкое, пластичное или твердое тело.

Определим вспомогательную в механике грунтов величину полную влагоемкость грунта, т. е. влажность, теоретически соответствующую полному заполнению пор водой. При полном заполнении пор водой вес содержащейся воды в грунте будет равен объему пор, умноженному на удельный вес воды, а вес сухого грунта — соответственно объему твердых частиц, умноженному на удельный вес грунта.

При полном заполнении пор грунта водой коэффициент пористости грунта, все поры которого заполнены водой, численно равен произведению весовой влажности грунта на его удельный вес.

Коэффициентом водонасыщенности называется отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости. Коэффициент водонасыщенности, или степень насыщения грунта водой также равняется отношению объема воды содержащейся в грунте, к объему его пор.

Для грунтов с жестким скелетом (пески, пылеватые грунты и пр.), имеющих мало изменяющуюся пористость, коэффициент водонасыщенности в известной мере характеризует свойства грунтов как оснований для сооружений. Для глинистых же грунтов в большинстве случаев коэффициент водонасыщенности будет близок к единице и для них более существенное значение имеют общее содержание воды и обусловленная им степень связанности. По нормам и техническим условиям проектирования естественных оснований песчаные грунты, а также лессовые глинистые в ависимости от степени насыщения их водой разделяют на:

• маловлажные 0 < w < 0,5
• очень влажные 0,5 < w < 0,8
• насыщенные водой 0,8 < w <

Такое разделение грунтов по степени насыщения водой имеет значение при выборе расчетного их сопротивления в основаниях сооружений. Так, например, для маловлажных пылеватых песков основное расчетное сопротивление для оснований гражданских сооружений принимается 2,5 кг/см2, для насыщенных водой — только 1,5 кг/см2 и то при условии, что грунт не разрыхляется восходящими потоками грунтовых вод.

Величина коэффициента водонасыщенности характеризует также, из скольких отдельных компонентов (твердого, жидкого и газообразного) состоит данный грунт. Здесь можно различать следующие основные случаи.

1. однокомпонентная (однофазная) система частиц (если исключить воздух, который заполняет поры грунта и, соединяясь с атмосферой, не принимает участия в распределении давлений). Этот случай наблюдается лишь в сухих песчаных и вообще крупнозернистых грунтах, залегающих выше уровня грунтовых и капиллярных вод.
2. двухкомпонентная (двухфазная) система частиц (твердые частицы + вода). Данный случай относится к грунтам, залегающим ниже уровня грунтовых вод. Если все поры грунта заполнены водой, причем в порах имеется свободная, гидравлически непрерывная вода, то такой грунт, как указывалось выше, будет называться грунтовой массой, и для решения задачи механики грунтов будет применима теория гидродинамических давлений и фильтрационная теория уплотнения грунтов.

Следует учитывать, что если грунт находится ниже уровня грунтовых вод и представляет собой грунтовую массу, то твердые его частицы испытывают взвешивающее действие воды, и расчетный объемный вес грунта соответственно уменьшается.

3. трехкомпонентная (трехфазная) система частиц. Этот случай будет соответствовать грунту, в состав которого входят твердые частицы «скелет»+вода + газы, при неполном заполнении его пор водой. Здесь особое значение приобретают силы сцепления, являющиеся для дисперсных грунтов основным фактором прочности и устойчивости их структуры.

Компрессионные кривые и их анализ.

Грунты с жестким скелетом, особенно крупнопесчаные и гравелистые, обладают, как правило, меньшей сжимаемостью по сравнению с другими грунтами. Сжимаемость грунтов с жестким скелетом в высокой степени зависит от их начальной плотности. Компрессионные кривые для рыхлого песка и песка, уплотненного потряхиванием.

Результаты испытания показывают влияние начальной плотности на сжимаемость грунта. Для грунтов с жестким скелетом содержание в них воды, особенно при неполном насыщении пор водой, не влияет на характер компрессионной кривой, и грунт с разным содержанием воды может иметь один и тот же коэффициент пористости.

Грунты с упругим скелетом дают значительно большие изменения коэффициента пористости при действии уплотняющей нагрузки, что объясняется сложностью их структуры, большей дисперсностью их состава и значительным содержанием частиц чешуйчатой формы. При чешуйчатой форме частиц, содержание которых особенно велико в глинах и суглинках (вследствие наличия в них слюдистых минералов), расклинивающее действие тонких пленок воды будет оказываться в полной мере, что совместно с влиянием молекулярно связанной воды и коллоидов обусловливает сильную сжимаемость и набухаемость глинистых грунтов. Каждый тип грунтов будет характеризоваться своей компрессионной кривой, при этом начальный коэффициент пористости (для образцов естественной структуры) может быть весьма различным по величине, несмотря на то, что все рассматриваемые грунты относятся к глинистым. Изменения коэффициента пористости при некотором определенном изменении давления (например, при р = 1 кг/см2) различны по величине для различных, глинистых грунтов, что указывает на весьма неодинаковую их сжимаемость. Также отметим, что для всех грунтов компрессионные кривые для образцов естественной структуры лежат ниже главной ветви уплотнения.

Просадочные грунты имеют весьма характерные компрессионные кривые. При определенных воздействиях, даже без изменения величины внешнего давления, например при замачивании лессовых грунтов, оттаивании мерзлых и вибрации рыхлых песчаных, резко скачкообразно изменяется коэффициент пористости грунтов, что указывает на коренное изменение их структуры.

Для всех же других видов грунтов компрессионные кривые имеют плавный монотонно убывающий характер. Экспериментально получаемые плавные компресаионные кривые основного вала можно аппроксимировать той или иной математической кривой: параболой, гиперболой, логарифмической кривой, а иногда и прямой линией. Если по данным опыта построить компрессионную кривую в полулогарифмическом масштабе, т. е. по одной оси, например вертикальной, отложить величину коэффициента пористости, а по другой (горизонтальной)— логарифм внешнего давления, то получим простую кривую.

При давлениях, больших, чем природное давление, которое равно весу вышележащих слоев грунта с учетом взвешивающего действия воды для грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод, как показывают результаты многочисленных исследований, компрессионная зависимость в полулогарифмическом масштабе выражается прямой линией, наклоненной под некоторым углом к оси давлений. Это показывает, что компрессионная зависимость при давлениях, больших природного, с полным основанием может приниматься логарифмической.

Следует отметить, что логарифмическое очертание кривых уплотнения и набухания при сравнительно небольшом диапазоне изменения давлений наблюдается лишь для торфянистых и других сильно сжимаемых грунтов (например, насыпных), а для остальных видов грунтов это может быть установлено только при значительных изменениях давлений, весьма редко встречающихся на практике. В практике в большинстве случаев, особенно в основаниях сооружений, давления на грунт имеют величину порядка 1—3 кг/см2, редко достигая 4—5 кг/см2. Поэтому и было предложено при небольших изменениях давлений (порядка 1—3 кг/см2) для минеральных грунтов принимать отрезок компрессионной кривой в пределах изменения этих давлений за прямую.

Это уравнение практически будет достаточно точно, так как для большинства компрессионных кривых при небольшом изменении давлений отклонения отрезка кривой от прямой не превысят погрешности отдельных опытов.

Коэффициент сжимаемости является важнейшей расчетной характеристикой грунтов, так как он входит множителем во все формулы для расчета осадок сооружений. Кроме того, знание его величины дает возможность произвести и общую качественную оценку грунта как основания для сооружений. Так, если коэффициент сжимаемости имеет величину порядка 0,001 см2/кг (т. е. одну или несколько тысячных см2/кг), то соответствующие грунты можно охарактеризовать как малосжимаемые надежные основания для сооружений; если же коэффициент сжимаемости около 0,01 см2/кг, то грунты будут обладать средней сжимаемостью, и при использовании их в основаниях сооружений необходим учет неравномерности осадок; наконец, при величине коэффициента сжимаемости порядка 0,1 см2/кг грунты характеризуются как чрезмерно сжимаемые, и в большинстве случаев при возведении сооружений такие грунты требуют искусственного укрепления.

Общие сведения о грунтах.

Скалистые грунты — массивные породы имеющие прочную связь слагающих частиц, имеют значительную прочность на сжатие и не промерзают, идеальная основа для фундамента.

Крупнообломочные (хрящеватые) грунты — состоят из обломков камней, валунов, щебня и гравия в объеме более 50%, не связанных между собой. Они сжимаются незначительно и являются надежными основаниями. При наличии более 40% песчаного заполнителя или более 30% пылевато-глинистого от общей массы учитывается только мелкая составляющая грунта, т.к. именно она будет определять несущую способность. Грунт может быть пучинистым, если мелкая составляющая — пылеватый песок или глина.

Песчаные грунты — смесь зерен кварца и других минералов, содержащая глины не более 3%. Песок по зерновому составу и размеру фракцийразделяется на следующие виды:

—   гравелистые лески - частицы размером 0,25... 5 мм; крупный песок если преобладают частицы размером 0,25...2 мм;

—   песок средней крупности - частицы размером 0,1...1 мм; мелкие пески     если преобладающие размеры частиц меньше 1...0Л мм

Чем крупнее фракции песка, тем большую нагрузку он может нести.

Гравелистые, крупные и средней крупности пески значительно уплотняются под нагрузкой, незначительно промерзают.

Илистые грунты, осадок микробиологических процессов и различных наслоений. Из-за невысокой прочности грунты непредсказуемы, их использование в качестве оснований необходимо каждый случай рассматривать в отдельности.

Просадочные грунты — под действием внешних факторов и собственного веса дают значительную просадку. К таким грунтам относятся лёссы и лёссовидные грунты. Грунты содержат не менее 50% пылевидных частиц и небольшое количество известковых и глинистых частиц. В сухом состоянии имеют значительную пористость - до 40% и являются прочными. При увлажнении связи внутри частиц слабеют и происходит просадка с уменьшением пористости и изменением структуры грунта. На лёссове грунты вообще нельзя ставить фундамент, при увлажнении он  полностью теряет прочность.

Набухающие грунты (пористая глина) способна впитывать в себя влагу и разбухают, а в процессе замерзания еще более увеличиваются в объеме. При высыхании наблюдается обратный процесс. Основания, сложенные такими грунтами, рассчитывают по специальной методике, а сами фундаменты выполняются с определенными конструктивными особенностями.

Торфянистые грунты и пылеватые пески в увлажненном состоянии превращаются в плывун. Существует множество различных способов строительства на таких грунтах, главное точно определить глубину залегания и мощность слоя. Вопреки широко распространенному мнению плывуны не являются приговором будущему строительству.

Насыпные грунты являются результатом перемещения грунта. Слежавшиеся в течение более 3-х лет, особенно пески, могут служить основанием под фундамент небольших строений, при условии, что в нем отсутствуют растительные останки и бытовой мусор.  Насыпные грунты весьма неоднородны, кроме того различные органические и неорганические материалы существенно ухудшают его механические свойства. Даже при отсутствии органических примесейв некоторых случаях они остаются слабыми на протяжении многих десятилетий.

Виды структуры и текстуры грунтов.

При свободном падении частиц, имеющих размеры песчаного зерна (более0,05 мм), образуется простая зернистая структура, в которой преобладают силы тяжести по сравнению с коллоидными (осмотическими) силами, в результате чего наблюдается наибольшее число контактов твердых частиц. Формирование структуры природных грунтов с твердыми. Размер контактных площадок зависит от формы минеральных частиц, а возникающие в контактах электромолекулярные силы зависят от состояния поверхности частиц и минералогического их состава. Так как силы взаимодействия между минеральными частицами намного меньше по сравнению с их весом, то частица падает свободно, скатываясь в углубления, и образует рыхлую зернистую структуру. Если грунт подвергнуть встряхиванию, то произойдет перемещение частиц, грунт уплотнится (в единице объема грунта минеральных частиц станет больше) и примет плотную зернистую структуру.

При свободном падении частиц в воде в точках соприкасания они будут соединены адсорбированными пленками воды. Если силы сцепления в точках соприкасания падающей частицы с ранее осевшими настолько значительны, что превзойдут силу веса частицы (при очень малых частицах), то оседающие частицы остаются там, где они вначале коснулись осадка, в результате чего структура становится сотообразной, или губчатой. Если размер минеральных частиц менее 1 мк (0,001 мм), то они уже будут обладать свойствами коллоидных частиц и при погружении в воду долгое время будут находиться во взвешенном состоянии. Если в суспензию прибавить несколько капель электролита то силы отталкивания между частицами уменьшаются и частицы получают возможность сближаться. При столкновении частиц возникает начальное трение, частицы слипаются и выпадают хлопьевидной массой. Подобным путем образуются сложные хлопьевидные структуры.

При полном диспергировании глинистого осадка, когда минеральные частицы не слипаются в агрегаты, в зависимости от насыщения теми или иными ионами образуются следующие два вида весьма рыхлой структуры глинистых осадков: флоккулентная карточная и палочно-соломенная.

Приведенные данные, показывающие влияние на структуру осадков насыщения теми или иными ионами, могут быть весьма полезны при оценке поведения глинистых грунтов при сдвиге.

Структура природных грунтов, особенно глинистых, весьма сложна. Наряду с разнообразием частиц, участвующих в строении грунта, имеет существенное значение и наличие в воде электролитов, коллоидов, органических склеивающих веществ и др.

Под текстурой грунтов следует понимать совокупность признаков, характеризующих неоднородность сложения грунтовой толщи в пласте, т. е. неоднородность в расположении структурных и механических элементов в отдельных пластах грунта.

Текстура грунтов обязана своим происхождением как условиям образования грунтовых отложений, например периодичности осаждения частиц в текучей и спокойной воде, так и последующим изменениям в величине и направлении внешнего давления. Различают следующие основные виды текстуры грунтовых толщ: слоистая, порфировая, ячеистая и слитная.

Наиболее распространены слоистые текстуры грунтов, среди которых можно различать ленточное сложение (например, в тонкослойных озерно-ледниковых отложениях с перемежающимися тонкими глинистыми и песчаными слоями), косослойное сложение, наблюдаемое в некоторых видах мелководных морских отложений, и сланцеватое в глинистых и илистых грунтах, подвергавшихся в геологическом прошлом значительным давлениям с частичной цементацией. Ярко выраженная слоистая текстура грунтов и все ее разновидности делают грунты анизотропными, т. е. физические свойства таких грунтов (например, водопроницаемость, сопротивление сдвигу, упругость и пр.) будут резко различны в различных направлениях.

В грунтах порфировой текстуры обе составляющие (грубозернистый материал и дисперсный — глинистый) участвуют в общем сопротивлении грунта действию внешних сил, но такие свойства, как сжимаемость, водопроницаемость, сопротивление сдвигу и упругость грунтов, будут зависеть главным образом от свойств мелкодисперсного материала, в который включены крупные обломки горных пород.

Ячеистая текстура характерна для некоторых видов засоленных, а также для дисперсных мерзлых грунтов, промерзание которых происходило в условиях неодностороннего охлаждения. Грунты ячеистой текстуры в различных направлениях, часто во взаимно-перпендикулярных, разделены на ряд отдельностей, промежутки между которыми заполнены одним из компонентов, составляющих грунт, например прослойками солей, льда и т. п., образуя подобие ячеек.

Наконец, слитной текстурой обладают некоторые древние глины и илы, подвергавшиеся в геологическом прошлом значительным давлениям, а также некоторые разновидности лессов и лессовидных суглинков, недоуплотненных, но сцементированных солями.

Составные элементы грунтов.

Рассматривая природные грунты как дисперсные тела верхней части коры выветривания — литосферы, следует прежде всего отметить, что в условиях естественного залегания они представляют сложнейшую систему взаимодействующих между собой частиц, находящихся в твердом, жидком и газообразном состоянии.

Количественные соотношения составных элементов грунтов не остаются постоянными, а изменяются с той или иной скоростью под влиянием внешних физико-геологических и механических воздействий. Существенное значение здесь будут иметь соотношения между отдельными группами частиц и, особенно, количество мелких и мельчайших твердых частиц грунтов, наиболее активных, имеющих наибольшую удельную поверхность. Такие строительные свойства грунтов, как их уплотняемость, устойчивость структуры, сопротивление внешним силам и пр., зависят не только от крупности частиц, но и от их минералогического состава, гидрофильности, наличия в грунтовой воде растворенных солей (главным образом сульфатов и карбонатов кальция, замедляющих уплотнение осадков), а также от содержания органических включений, особенно коллоидальных.

Все это и обусловливает механическую неоднородность грунтов, особенно глинистых. В общем случае грунт можно представить состоящим из трех компонентов: твердых минеральных частиц, как правило, занимающих большую часть объема грунта, жидких, частично или полностью заполняющих промежутки между твердыми частицами грунта (поры), и газообразных — различного рода газов и паров, также занимающих ту или иную часть объема пор грунта и содержащихся в растворенном состоянии в грунтовой воде. Свойства этих компонентов, их количественные соотношения в грунте, а также электромолекулярные, физико-химические, механические и прочие взаимодействия между компонентами грунтов и их агрегатами и определяют природу грунтов.

Формирование структуры природных грунтов.

Под структурой грунтов подразумевают обусловленное характером внутренних связей закономерное расположение  различных по крупности и форме минеральных частиц или отдельных агрегатов частиц, на которые грунты могут распадаться. Структура природных грунтов является важнейшим фактором, определяющим свойства грунтов, как оснований и среды для возведения сооружений, так как она в основном определяет сопротивляемость и деформируемость грунтов под действием внешних сил. При формировании структуры природных грунтов важное значение имеют электромолекулярные силы взаимодействия между минеральными частицами (что зависит от химического состава частиц, их удельной поверхности и т. п.) и силы взаимодействия между частицами и водой, а также соотношение их с весом частиц. Свойства среды, в которой осаждаются частицы (пусть это воздух или вода, ее засоленность), существенно влияют на структуру образующихся минеральных осадков.

При осаждении минеральных частиц в воде к ним присоединяется значительное количество молекул воды, и для минеральных частиц коллоидных размеров с большой активностью часта объем адсорбированной воды будет во много раз больше объема минеральной частицы, что обусловливает чрезвычайную рыхлость некоторых глинистых осадков, когда из всего объема грунта до 90% составляют поры, заполненные водой, и лишь около 10% — минеральные частицы. Существенное значение при этом имеют как размеры, так форма и состав минеральных осадков коллоидных размеров.

В формировании микроструктуры глинистых осадков большое значение имеет осмотический эффект, который обусловливает рыхлость осадков, так как при сближении гидратных оболочек на расстояние, меньшее, чем двойная толщина диффузного слоя, возникают силы отталкивания, уравновешивающие внешнее давление, причем, чем большее будет сближение, тем силы отталкивания будут больше. Когда же сближение достигнет нескольких молекулярных слоев, начинают преобладать силы непосредственного молекулярного взаимодействия между частицами, что способствует возникновению новых, более значительных связей. Кроме того, частицы, осевшие под углом друг к другу, при незначительном расстоянии между ними под расклинивающим действием осмотических сил стремятся быть параллельными между собой, для чего при вязком сопротивлении требуется известный промежуток времени. В формировании структуры глинистых коллоидов существенное значение имеет и эффект седиментации, т. е. выпадения частиц в виде агрегатов со скоростью, зависящей от концентрации в воде электролитов.

Виды деформаций грунтов.

Действие внешних сил на тело вызывает его перемещения. Если тело совершает поступательное движение или вращается без изменения относительного расположения частиц, то оно не деформируется; такие перемещения не вызывают, никаких внутренних напряжений. Только перемещения отдельных частиц тела связаны с возникновением в нем напряженного состояния. Если нагрузку, грунтов приложенную к деформируемому телу, снять, то одни частицы тела возвратятся в прежнее положение, а другие останутся в положении, полученном при действии нагрузки, т. е. наблюдаются упругие и остаточные деформации. В твердых телах, например в металлах, величина остаточных деформаций незначительна, и ими часто можно пренебречь, т. е. рассматривать такие тела как упругие.

В грунтах же при действии внешних сил возникают как упругие, так и остаточные деформации, причем остаточные деформации часто в десятки раз превосходят упругие. Существенным отличием грунтов от упругих тел является то, что при действии внешних нагрузок остаточные деформации всегда сопутствуют упругим, даже при незначительных нагрузках. Сумма остаточных и упругих деформаций составляет общую деформацию. В одних случаях особо важное значение приобретает общая деформация грунтов, в других — упругая и, наконец, остаточная.

Различные виды деформаций грунтов обусловливаются различными физическими причинами, вызывающими их. Упругие деформации могут быть двух родов: упругие изменения объема (деформации сжатия-растяжения), что наблюдается при периодической сжимающей или растягивающей нагрузке и разгрузке, и упругие искажения формы без изменения объема, происходящие главным образом при мгновенных нагрузках. Так как упругие деформации распространяются со скоростью звука, то компрессионных изменений грунта практически за время действия мгновенных нагрузок (за исключением вибраций) не возникает, ибо для их развития требуется достаточный промежуток времени.

Деформации уплотнения и набухания, которые следует отнести к неупругим деформациям, требуют значительного времени для своего развития и обусловливаются компрессионными свойствами грунтов. Виды деформаций грунтов и причины, их обусловливающие набухания грунтов являются необратимыми, поскольку кривая уплотнения не совпадает с кривой набухания, что происходит вследствие нарушения структуры грунта в процессе его консолидации.

Деформации ползучести обусловлены взаимными сдвигами частиц, причем в зависимости от того, какой процесс при данной нагрузке преобладает — упрочнение или сдвиг, ползучесть может быть затухающей или установившейся с постоянной скоростью деформирования.

Чисто остаточная деформация грунтов возникает вследствие разрушения структуры и излома частиц будет существенным фактором для сооружений, возводимых из грунта. В результате действия повторных нагрузок остаточная деформация накапливается, и, например, в грунтовых дорогах образуются колеи, ухудшающие .проходимость.

Рассмотренные физические причины, обусловливающие характер тех или иных видов деформаций грунтов, в естественных условиях могут существовать в многообразном сочетании. В одних случаях основное значение будут иметь одни причины, в других — другие; иногда же на деформации будут влиять одновременно несколько причин.

Лессовые просадочные грунты.

Большой класс структурно-неустойчивых грунтов составляют лессовые просадочные грунты, в которых нарушение структуры с возникновением значительных просадок происходит при замачивании их под нагрузкой.

Просадками называются местные быстро протекающие вертикальные деформации грунтов, обусловленные резким коренным нарушением структуры и сопровождающиеся частичной или полной потерей сопротивляемости нарушенных масс грунта, а при избыточном увлажнении — выдавливанием грунтов в стороны.

Практика строительства на лессовых грунтах показала, что просадки могут достигать значительной величины. Так, стена рудного крана Кузнецкого завода примерно за один год осела на 37 см. Свойство лессовых грунтов терять устойчивость своей структуры при увлажнении обусловливает настолько своеобразные строительные качества этих грунтов, что требует особого рассмотрения.

Лессовые грунты залегают на значительной части территории России, более 16% континентальной поверхности. Для практики строительства весьма важно уметь отличать просадочные лессовые грунты от обычных, знать особенности механических свойств просадочных грунтов и предусмотреть влияние этих свойств на возводимые сооружения.

Следует отметить, что до настоящего времени происхождение лессовых грунтов, несмотря на чрезвычайно важное значение этого вопроса, разные исследователи объясняют по-разному. Существуют две основные гипотезы происхождения этих грунтов: эоловая гипотеза и почвенная.

Эоловая гипотеза объясняет происхождение лессовых грунтов деятельностью воздушных течений, которые из пустынных областей несут мелкую пыль в смежные с пустынями области, где и отлагают ее тонкими слоями. Степная растительность совместно с выпадающими дождями содействует закреплению пыли; корни и стебли растений, сгнивая, оставляют пустоты, создающие макропористость лессовых отложений. Пористость еще более увеличивается вследствие ходов дождевых червей и землероев.

Почвенная гипотеза объясняет образование лессовых грунтов почвообразовательными процессами, происходящими в сухом климате. При выветривании почв в сухом климате процесс протекает в щелочной среде, причем остающиеся карбонаты кальция обволакивают частицы и свертывают их в более крупные агрегаты (частицы диаметром менее 0,01 мм превращаются в частицы диаметром 0,01—0,05 мм), отчего весь грунт приобретает пористое строение.

Из произведенных послойных химических анализов лессовых отложений на значительную глубину вытекает, что степень выветренности слоев уменьшается по мере углубления. Роль карбонатов и гипса сводится частично к образованию кристаллов, а частично к цементации тонких продуктов минеральной смеси.

Почвенная гипотеза оказала значительное влияние и на эоловую гипотезу. Большинство исследователей считает, что основные массы лессовых грунтов образовались эоловым путем, однако это не исключает возможности происхождения некоторых видов лессовых грунтов и из отложений водных бассейнов, образовавшихся при таянии древних ледников, а также при переотложении пылеватых грунтов дождевыми водами. Лессовые породы часто разделяют на типичные лессы и лессовидные грунты. Типичный однородный и мощный слой лесса создается только из материнской породы, представляющей накопление эоловой пыли путем почвообразовательных процессов, идущих одновременно с ее накоплением.

Грунты же, образующиеся из различных материнских пород в результате процессов почвообразования и выветривания в условиях сухого климата, а также переотложенные эоловые отложения не являются типичными лессами, но, обладая многими свойствами последних, могут быть названы лессовидными.

В строительном же деле в настоящее время принято объединять отмеченные разновидности грунтов под одним общим названием лессовые грунты, иногда присоединяя к ним эпитет «макропористые», так как в условиях природного залегания эти грунты имеют видимые невооруженным глазом поры (макропоры), величина которых значительно превосходит величину обычных пор, соответствующих приблизительно размерам минеральных частиц грунта.

Характерные свойства лессовых грунтов могут быть полностью освещены лишь на основе использования основных зависимостей механики грунтов, излагаемых ниже.

Внешними признаками, отличающими макропористые лессовые грунты, будут следующие:

1. Видимая невооруженным глазом пористость (макропористость), обусловленная наличием тонких, более или менее вертикальных канальцев иногда с остатками растений. Канальцы, пронизывающие всю толщу лессовидных грунтов, покрыты изнутри налетами углекислых солей.
2. Столбчатая отдельность. Это свойство лессовидных грунтов проявляется особенно ярко на открытых местах, подвергающихся действию атмосферных осадков. В искусственных выемках и свежих разрезах отдельностей не наблюдается.
3. Быстрое размокание в воде и большая водопроницаемость. Так, коэффициент водопроницаемости (фильтрации) лесса для образца ненарушенной структуры был в 100 раз больше коэффициента водопроницаемости для перемятого, лишенного макропор образца того же грунта.
4. Наличие твердых мергелистых включений. Трубчатые пустоты лессовых грунтов в большинстве случаев покрыты тонким слоем извести, кроме того, отдельные известковые и мергелистые включения самой разнообразной формы находятся в лессовых грунтах в довольно значительном количестве. При опробовании этих грунтов 3%-ным раствором соляной кислоты наблюдаются бурное вскипание и быстрое прекращение выделения пузырьков газа.
5. Характерное распределение влажности по глубине с наличием на некотором уровне так называемого «мертвого горизонта» с меньшей по сравнению с вышележащими и нижележащими слоями влажностью. В мертвом горизонте наблюдается максимальное содержание солей. Ниже мертвого горизонта влажность возрастает постепенно, достигая величины максимальной влагоемкости. Отметим также, что, как правило, в толще лессовых пород наблюдаются только два горизонта грунтовых вод: верховодка и нижний горизонт грунтовых вод.
6. Характерный состав. По гранулометрическому составу лессовидные грунты характеризуются преобладанием пылеватых фракций (частиц размером от 0,05 до 0,005 мм обычно более 50%) при незначительном содержании глинистых частиц (от 4 до 20%). Как правило, лессовидные грунты отличаются значительной однородностью гранулометрического состава, причем коэффициент неоднородности часто бывает не более 5.

По химическому составу главными составными частями лессовых грунтов являются: силикаты — от 27 до 90%, глинозем — от 4 до 20% и углекислый кальций —от 6 до 67%. Из перечисленных внешних признаков лессов и лессовидных грунтов наиболее характерными будут: макропористость, быстрое размокание в воде (в течение 1—2 мин) и наличие карбонатов (вскипание при опробовании кислотой).

Как уже указывалось, характерным свойством макропористых грунтов является их просадочность при замачивании под нагрузкой. Образец лессовидного грунта естественной структуры при испытании на осадку в условиях, исключающих возможность выдавливания грунта в стороны, под нагрузкой 2,5 кг/см2 после замачивания дает осадку, в 7 раз большую, чем осадка такого же образца грунта и при той же нагрузке, но испытанного при естественной влажности (без замачивания).

Для объяснения поведения лессовых грунтов при была выдвинута гипотеза, согласно которой увеличение осадки лессовых грунтов при замачивании под нагрузкой объясняется неустойчивостью макропор пронизывающих всю толщу лессовидных грунтов, вследствие потери связности (сцепления) между частицами грунта при просачивании воды. Часто достаточно давления порядка 0,5— 1 кг1см2, при котором стенки пор разрушаются и происходит резкое уплотнение грунта, что и вызывает значительные дополнительные осадки.

По современным воззрениям просадочность макропористых лессовых грунтов возникает вследствие недоуплотненности и способности агрегатов частиц этих грунтов к пептизации при увлажнении, т. е. к переходу твердых коллоидных пленок в жидкий раствор. Образующиеся при этом водные пленки вследствие их расклинивающего действия раздвигают грунтовые частицы, разрушают агрегаты частиц и создают условия, благоприятные для доуплотнения лессовых грунтов. Кроме того, известное значение в разрушении структуры агрегатов частиц имеет и растворение солей, цементирующих частицы лессовых грунтов, а также действие осмотического давления, возникающего вследствие разности концентрации солей пленочной воды и воды.

Если же лессовые грунты имеют агрегаты частиц, сцементированные не растворяющимися в воде солями, то при замачивании эти грунты, просадок не дают. Чтобы нарушить структурные связи в лессовых грунтах, одного замачивания недостаточно, необходимо приложить некоторой величины нагрузку, различную для различной степени сцементированности лессовых грунтов, причем безразлично, будет ли это собственный вес вышележащих слоев грунта или внешняя нагрузка от сооружения или пробного испытания.

При определенной величине нагрузки, прикладываемой одновременно с замачиванием, возникает лавинное разрушение структурных связей грунта, и его структура резко и коренным образом изменяется — возникают просадки. Для количественной оценки просадочности лессовых грунтов испытывают их образцы естественной ненарушенной структуры на сжимаемость без возможности бокового расширения, т. е. образцы помещают в жесткое кольцо. Вначале определяют деформации образца при естественной его влажности, а после того, как будет достигнуто проектное давление, образец замачивают до полного насыщения, определяя при этом его деформацию. В результате разрушения структурных связей, если внешнее давление больше структурной прочности грунта в замоченном состоянии, возникает резкая быстрая осадка (просадка) образца.

Образец грунта необходимо замачивать при нагрузке, соответствующей сумме природного давления и давления (сжимающего напряжения), которое будет в грунте от сооружения на глубине взятия образца. Максимально возможную величину просадки всей просадочной толщи макропористых лессовых грунтов определяют по величине относительной просадочности отдельных слоев и их мощности.

Здесь суммирование необходимо распространить на все слои (от подошвы фундамента до глубины залегания всей просадочной толщи), а величину относительной просадочности определять с учетом фактического давления на грунт от внешней нагрузки и вышележащих слоев грунта.

По величине максимальной просадки всей просадочной толщи обычно и назначают противопросадочные мероприятия, основными из которых является всемерное недопущение замачивания грунтов под сооружениями или создание таких конструктивных особенностей сооружений, которые обеспечили бы их малую чувствительность к неравномерным осадкам (конструирование зданий из отдельных жестких блоков, допускающих независимость оседания; применение устройств, регулирующих высоту отдельных частей сооружения, и т. п.).

При оценке общей деформации лессовых грунтов, подверженных замачиванию с одновременным загружением, необходимо учитывать следующие три составляющие: осадку, обусловленную уплотнением грунта (т. е. уменьшением пористости при увеличении давления), просадку, возникающую в результате коренного изменения структуры грунта при переходе его из макропористого структурного состояния в бесструктурную водонасыщенную массу, и послепросадочную деформацию грунта, вызванную медленным нарушением кристаллизационных связей, суффозией (вымывом) мельчайших частиц и ползучестью скелета грунта при длительном действии фильтрации.

Общая деформация просадочных грунтов при малой их величине, будет определяться общими зависимостями теории линейно деформируемых тел и может оцениваться как по результатам испытаний без возможности бокового расширения грунта, так и по данным трехосных испытаний. При этом, просадка лессовых грунтов обусловливается не только вертикальными деформациями, но и способностью окружающей толщи проседать (деформироваться) в горизонтальном направлении и зависит как от вертикальных сжимающих напряжений, так и от соотношения главных напряжений и их разности.

Свойства лессовых грунтов в процессе их просадки резко изменяются. Сопротивление замоченного грунта сдвигу снижается в несколько раз это показывает, что несущая способность лессовых грунтов после нарушения их структурной связности в процессе просадки при замачивании под нагрузкой чрезвычайно падает, и грунты легко выдавливаются из-под подошвы фундаментов.

Свойства илистых грунтов.

Одним из структурно-неустойчивых видов грунтов являются илистые грунты, структура которых не обладает достаточной прочностью и устойчивостью и может быть нарушена действием добавочного (сверх природного) давления (часто весьма незначительной величины), что позволяет отнести их к типу слабых малоустойчивых естественных оснований. При ненарушенной структуре илистые грунты могут воспринимать некоторую нагрузку от сооружений; при нарушении же ее они становятся часто непригодными как основания для сооружений и требуют специальных мер по их упрочнению, уплотнению или закреплению.

Илистые грунты образовались в начальной стадии формирования коллоидно-глинистых осадков, откладывающихся в относительно спокойной воде при одновременном протекании в них гидробиологических процессов. Отложение в воде глинистых частиц способствует образованию губчатой и даже хлопьевидной структуры осадков, а наличие гидробиологических процессов — увеличению структурной связности и выделению газов, что обусловливает взрыхленность коллоидно-глинистых осадков.

Влажность природных илов, как правило, больше влажности при границе текучести (определяемой для перемятых образцов), а коэффициент пористости для суглинков и супесей, часто достигая еще большей величины.

По времени существования илы разделяются на современные и древние, причем последние, хотя резко и не изменяют своей структуры, образовавшейся в начальной стадии их формирования, но являются более уплотненными и имеют несколько структурную связность.

В зависимости от водной среды, в которой откладывались илистые грунты, различают илы пресноводные и морские. Морские илы, сформированные в морской соленой воде, удерживают значительное количество молекул воды в связном состоянии, что обусловливает их достаточную прочность и устойчивость. Однако при изменении под действием геологических процессов условий существования илов, 

Исходя из общих свойств илов, возникают следующие два способа рационального возведения на них сооружений: первый — замена сильно сжимаемых и разжиженных илов более устойчивыми и прочными грунтами, например песком, и второй — уплотнение и упрочнение илов небольшими порциями нагрузок.

Замена песками или галькой применяется при небольшой мощности слоя илов в случае возведения на них насыпей или дамб, когда отсыпаемое тело выдавливает илы в стороны, что продолжается до тех пор, пока насыпь не достигнет плотного грунта.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статьи по газобетону ( газоблоку ), газобетонных блоков, газосиликатнных блоков

Новости, статьи, слухи, факты, разное и по чу-чуть

Статьи по кирпичу ( рядовому, лицевому,облицовочному,клинкерному, шамотному, силикатному,)