Граничний опір зрушенню сипучих і зв'язних грунтів

Практику цікавить в першу чергу максимально можливий опір ґрунтів зрушенню, так званий граничний опір, тобто коли настає фаза такого напруженого стану ґрунту, що виникають майданчики ковзання (для яких максимальний кут відхилення дорівнює куту тертя) і порушується суцільність грунту.

Сипучі і зв'язні ґрунти мають свої особливості при вивченні їх граничного опору зсуву. Сипучі грунти, як правило (виняток становлять лише слюдяні піски), при збільшенні або зменшенні зовнішнього тиску незначно змінюють свою щільність, і практично при тисках від 1 до 4 кг/см2 цими змінами можна знехтувати. Однак природна щільність пісків або різка зміна її, наприклад, при вибрировании вже суттєво впливає і на опір пісків зсуву.

Після прикладання вертикального навантаження і загасання деформацій від навантаження зразок піддають в спеціальному односрезном приладі з зубчастим штампом і піддоном дії поступово зростаючої горизонтального навантаження до деякої максимальної її величини, при якій виникають безперервні ковзання (зрушення) грунту по грунту. За отриманим значенням зрушує сили, яка викликає незатухаючі ковзання ґрунту, визначають величину зрушує напруги як приватне від ділення зрушує сили на площу зрізу. Таким чином, дослідами визначається максимальний опір ґрунту зрушенню, понад якого грунт вже не може чинити опір зрушує навантаженні, так як виникає безперервне ковзання однієї частини ґрунту за іншою. За результатами кількох зрізів при різних зовнішніх ущільнюючих тисків будується діаграма залежності між стискають напругами і зрушуючими.

Як показують результати численних випробувань для сипких ґрунтів, діаграма опору зсуву являє собою строго пряму, що виходить з початку координат і відхилене під кутом до осі тисків. Так як опір сипких ґрунтів зрушенню є опір їх тертю, то кут носить назву кута внутрішнього тертя сипучого грунту, і коефіцієнта внутрішнього тертя.

Залежність встановлена ще Кулоном у 1773 р. 1 і може бути сформульована наступним чином: опір сипких ґрунтів зрушенню є опір тертю, прямо пропорційне нормальному тиску. Це і є так званий закон Кулона (третій закон механіки ґрунтів) для сипких ґрунтів.

Зв'язні ґрунти (глини, суглинки і супіски) відрізняються від сипких ґрунтів тим, що частинки їх пов'язані між собою адсорбованими плівками води, коагулированными колоїдами і цементуючими речовинами, внаслідок чого навіть при досить малих деформаціях зсуву грунт володіє певною міцністю, обумовленої силами зчеплення.

Якщо загальний опір сипких ґрунтів зсуву залежить від щільності упаковки частинок, то опір дисперсних зв'язних ґрунтів зрушенню ще більшою мірою залежить від їх щільності і безпосередньо пов'язаної з нею вологості.

Так як в глинах вологість і тиск пов'язані однозначною залежністю, то при випробуванні глинистих і взагалі всіх дисперсних зв'язних грунтів слід звертати особливу увагу на те, щоб всі зразки випробовуваного ґрунту мали практично одну і ту ж вологість або щільність. Як було показано вище, це досягається шляхом випробування декількох зразків ґрунту, попередньо ущільнених до найбільшого тиску, а потім розвантажених до менших значень тисків, при яких і визначається граничний опір зрушенню.

Основними видами випробувань на зрушення є випробування по відкритій системі (консолідовано-дренированное) і швидке випробування по закритій системі (неконсолидированно-недренированное). При випробуванні по відкритій системі зразки ґрунту після розвантаження витримують до моменту повного загасання їх деформацій, тобто коли тиск повністю передасться на скелет грунту. Точно так само і сдвигающую навантаження, прикладене зростаючими ступенями, витримують до практично повного загасання деформацій зсуву від кожної сходинки в грунтах.

При дослідженні зв'язних грунтів відчувають декілька (не менше двох) зразків ґрунту на граничний опір їх прямого зрізу. Як зазначалося раніше, при випробуванні щільних глин на приладах прямого зрізу необхідно враховувати фактичну поверхню зрізу, тобто при невеликих навантаженнях вводити поправку на косий зріз, перераховуючи напруги за формулами, що може істотно позначитися на величині одержуваних розрахункових характеристик.

Результати випробувань грунтів на опір зрушенню зображують у вигляді діаграми, відкладаючи по осі максимальна (гранична) опір зрушенню, а по горизонтальній — величину нормального стискаючого напруження (ефективного тиску).

Численні випробування зв'язних грунтів на опір їх прямого зсуву показують, що всі експериментальні точки при не дуже великих тисках (приблизно менших 7 кг/см2) досить точно укладаються на пряму лінію.

Закон Кулона для зв'язних грунтів, може бути сформульований наступним чином: граничний опір зв'язних грунтів зсуву є функція першого ступеня від нормального тиску (стискає ефективного напруги) і складається з двох частин: першої, що не залежить від нормального тиску, і другий, прямо пропорційною нормальному тиску.

Величини є математичними параметрами прямолінійною діаграми зсуву, постійними для даного фізичного стану ґрунту (його щільності). Якщо зв'язний грунт відчуває лише дуже малі деформації зсуву, то його опір буде залежати майже винятково від величини с, зумовленої дією усіх видів сил зв'язності, яке звичайно називається зчепленням грунту, при великих же деформаціях до опору зсуву буде додаватися другий доданок, яке можна розглядати як опір грунту тертя. Однак на практиці буває досить важко виділити частину опору зрушенню, не залежну від нормального тиску (зчеплення), і частина, йому прямо пропорційну (тертя), так як всяка зміна тисків позначається не тільки на другий складової, але і на першій.

Якщо ж відчувати глинистий грунт по закритій системі (недренированное випробування) при різних тисках, але без зміни вмісту вологи (швидкий зсув), то зазвичай опір зрушенню майже не буде залежати від величини зовнішнього тиску (стискаючого напруження), тобто в цьому разі опір зрушенню визначиться силами зчеплення ґрунту. Відзначимо, що якщо випробовувати зразки глинистого ґрунту різної вологості по закритій системі (недренированно-неконсолидированные випробування), то кожній щільності — вологості будуть відповідати свої значення параметрів. Таким чином, опір зрушенню зв'язкових деформацій зсуву буде визначатися їх зчепленням, а чисто сипких ґрунтів — тільки їх тертям. У всіх же інших випадках не представляється можливим відокремити «чисте зчеплення» від «чистого тертя», і розрахункові характеристики опору зсуву ґрунтів необхідно розглядати як математичні параметри прямолінійною діаграми зсуву зв'язних грунтів.

Щільність сипких ґрунтів.

Природна щільність сипких ґрунтів (піщаних і гравелистих різного складу, а також пилуватих пісків) має першорядне значення при оцінці їх властивостей як підстав для споруд, але визначити її в природних умовах візуально (на око) не представляється можливим.

Про щільності сипких ґрунтів судять або за величиною їх коефіцієнта пористості при порівнянні з величиною коефіцієнта пористості тих же грунтів, але при більш щільному і більше пухкому стані, або за результатами випробування ґрунтів у природних умовах на пенетрацію (вдавлення).

Останній спосіб застосовується для оцінки відносної щільності сипких, так і консистенції глинистих грунтів, а так само як особливий метод випробування грунтів у природних умовах.

Для чистих сипких ґрунтів (переважно кварцових) можна при оцінці їх щільності обмежитися визначенням лише величини коефіцієнта пористості, відповідного умовам природного залягання.

Так, щільність піщаних грунтів за нормативними даними оцінюється за величиною коефіцієнта пористості (визначається за зразками непорушеної структури або тарировочным зондом).

Звичайно, для пісків не кварцових (наприклад, слюдистих) ці дані непридатні. Тому для загальної характеристики щільності піщаних грунтів знаходять так званий (Е хв) мінімальний коефіцієнт пористості ґрунту в самому щільному стані (визначається для грунту, ущільненого до постійного об'єму в металевій колбі шляхом вібрації або багаторазового постукування).

Оскільки визначення Е макс. та Е хв. дещо умовні, тому відносну щільність сипких ґрунтів, що визначається за, слід розглядати лише як якісну характеристику.

В залежності від щільності природних пісків (включаючи і пилуваті) за нормами рекомендуються різні величини розрахункових опорів, причому для пухких грунтів розрахунковий опір взагалі не нормується, а рекомендується визначати його за результатами спеціальних досліджень.

Для визначення співвідношення щільності окремих пластів грунту в умовах їх природного залягання застосовується зондування (пенетрація), яке широко поширене, так як цей спосіб досить дешевий.

Розрізняють динамічний метод зондування, коли пенетрометр (зазвичай це конічний наконечник, навинченный на бурову штангу) забивається в грунт на визначену глибину (близько 30 см) стандартним вантажем зі стандартної висоти падіння, і статичний метод зондування, коли конічний пенетрометр на заданій відмітці вдавлюється в ґрунт, причому за динамометра, змонтованого на штанзі, заміряється максимальний тиск. Зміна тиску при пенетрації по глибині свердловини дає характеристику щодо щільності залягання ґрунтів. Слід зазначити, що в даний час більше застосовується статичне зондування порівняно з динамічним, і вже робляться спроби пов'язати показники статичного зондування з кількісними характеристиками механічних властивостей ґрунтів.

Коефіцієнт водонасичення.

В умовах природного залягання грунти володіють тією чи іншою вологістю. В природних умовах можна зустріти як повітряно-сухі грунти (наприклад, піски вище рівня ґрунтових вод), так і грунти, всі пори яких заповнені водою.

Наявність у грунті води впливає на пористість, а отже і на щільність залягання ґрунтів. Особливого значення набуває зміст води в глинах. Залежно від вологості глину можна розглядати як в'язке, пластичне або тверде тіло.

Визначимо допоміжну в механіці грунтів величину повну вологоємність ґрунту, тобто вологість, теоретично відповідну повного заповнення пір водою. При повному заповненні пір водою вага міститься води в грунті буде дорівнює обсягу пір, помноженому на питому вагу води, а вага сухого грунту — відповідно до об'єму твердих частинок, помноженому на питому вагу ґрунту.

При повному заповненні пор ґрунту водою коефіцієнт пористості грунту, всі пори якого заповнені водою, чисельно дорівнює добутку вагової вологості ґрунту на його питому вагу.

Коефіцієнтом водонасичення називається відношення природної вологості ґрунту до його повної вологоємкості. Коефіцієнт водонасичення, або ступінь насичення грунту водою також дорівнює відношенню об'єму води міститься в грунті, до обсягу його часу.

Для грунтів з твердим скелетом (піски пилуваті ґрунти тощо), мають мало змінюється, пористість, коефіцієнт водонасичення певною мірою характеризує властивості грунтів як підстав для споруд. Для глинистих ж ґрунтів в більшості випадків коефіцієнт водонасичення буде близький до одиниці і для них більш суттєве значення мають загальний вміст води й обумовлена їм ступінь зв'язаності. По нормам і технічним умовам проектування природних підстав піщані грунти, а також лесові глинисті в ависимости від ступеня насичення їх водою поділяють на:

• маловлажные 0 < w < 0,5
• дуже вологі 0,5 < w < 0,8
• насичені водою 0,8 < w <

Такий поділ грунтів за ступенем насичення водою має значення при виборі розрахункового їх опору в основах споруд. Так, наприклад, для маловологих пилуватих пісків основне розрахункове опір підстав для цивільних споруд приймається 2,5 кг/см2, для насичених водою — тільки 1,5 кг/см2 і то за умови, що грунт не розпушується висхідними потоками ґрунтових вод.

Величина коефіцієнта водонасичення характеризує також, зі скількох окремих компонентів (твердого, рідкого і газоподібного) складається даний грунт. Тут можна розрізняти наступні основні випадки.

1. однокомпонентна (однофазна) система частинок (якщо виключити повітря, яке заповнює пори грунту та, з'єднуючись з атмосферою, не бере участі у розподілі тисків). Цей випадок спостерігається лише в сухих піщаних і взагалі крупнозернистих грунтах, що залягають вище рівня грунтових і капілярних вод.
2. двокомпонентна (двофазна) система частинок (тверді частинки + вода). Даний випадок відноситься до ґрунтів, що залягає нижче рівня грунтових вод. Якщо всі пори грунту заповнені водою, причому в порах є вільна, гідравлічно безперервна вода, то такий ґрунт, як зазначалося вище, буде називатися ґрунтовою масою, і для вирішення задачі механіки ґрунтів буде застосовна теорія гідродинамічних тисків і фільтраційна теорія ущільнення грунтів.

Слід враховувати, що якщо грунт знаходиться нижче рівня грунтових вод і являє собою ґрунтову масу, то його тверді частинки зазнають зважувальної дія води, і розрахунковий об'ємна вага ґрунту відповідно зменшується.

3. трикомпонентна (трифазна) система частинок. Цей випадок буде відповідати грунту, до складу якого входять тверді частинки «скелет»+вода + гази, при неповному заповненні його водою. Особливе значення тут набувають сили зчеплення, що є для дисперсних ґрунтів основним чинником міцності і стійкості їх структури.

Компресійні криві та їх аналіз.

Грунти з твердим скелетом, особливо крупнопісчані і гравелисті, мають, як правило, меншою стисливістю порівняно з іншими ґрунтами. Щільність грунтів з твердим скелетом в більшій мірі залежить від їх початкової щільності. Компресійні криві для пухкого піску і піску, ущільненого потряхіваніем.

Результати випробування показують вплив початкової щільності на стисливість ґрунту. Для грунтів з твердим скелетом вміст в них води, особливо при неповному насиченні пір водою, не впливає на характер компресійної кривої, і ґрунт з різним вмістом води може мати один і той же коефіцієнт пористості.

Грунти з пружним скелетом дають значно більші зміни коефіцієнта пористості при дії ущільнюючої навантаження, що пояснюється складністю їх структури, більшою дисперсністю їх складу і значним вмістом частинок лускатої форми. При лускатою формою частинок, зміст яких особливо велика в глинах і суглинках (внаслідок наявності в них слюдистих мінералів), розклинююча дія тонких плівок води буде виявлятися повною мірою, що спільно з впливом молекулярно зв'язаної води і колоїдів зумовлює сильну стисливість і набухаемость глинистих грунтів. Кожен тип ґрунтів буде характеризуватися своєю компресійної кривої, при цьому початковий коефіцієнт пористості (для зразків природної структури) може бути дуже різним за величиною, незважаючи на те, що всі ці ґрунти відносяться до глинистих. Зміни коефіцієнта пористості при деякому певному зміні тиску (наприклад, при р = 1 кг/см2) різні за величиною для різних, глинистих грунтів, що вказує на досить неоднакову їх стисливість. Також відзначимо, що для всіх грунтів компресійні криві для зразків природної структури лежать нижче головної гілки ущільнення.

Просадні грунти мають досить характерні компресійні криві. При певних впливах, навіть без зміни величини зовнішнього тиску, наприклад при замочуванні лесових ґрунтів, відтаванні мерзлих і вібрації пухких піщаних, різко стрибкоподібно змінюється коефіцієнт пористості ґрунтів, що вказує на докорінну зміну їх структури.

Для всіх же інших видів грунтів компресійні криві мають плавний монотонно регресний характер. Експериментально отримані плавні компресаионные криві основного вала можна апроксимувати тієї чи іншої математичної кривої: параболою, гіперболою, логарифмічною кривою, а іноді і прямий лінією. Якщо за даними досвіду побудувати компресійну криву в полулогарифмическом масштабі, тобто по одній осі, наприклад вертикальної, відкласти величину коефіцієнта пористості, а з іншого (горизонтальної)— логарифм зовнішнього тиску, то отримаємо просту криву.

При тисках, більших, ніж природне тиск, який дорівнює вазі верхніх шарів ґрунту з урахуванням вісового дії води для грунтів, що залягають нижче рівня грунтових вод, як показують результати численних досліджень, компресійна залежність в полулогарифмическом масштабі виражається прямою лінією, нахиленої під деяким кутом до осі тисків. Це показує, що компресійна залежність при тисках, великих природного, з повною підставою може прийматися логарифмічною.

Слід зазначити, що логарифмічний обрис кривих ущільнення і набухання при порівняно невеликому діапазоні зміни тисків спостерігається лише для торф'янистих та інших сильно стискуваних ґрунтів (наприклад, насипних), а для решти видів грунтів це може бути встановлено тільки при значних змінах тиску, дуже рідко зустрічаються на практиці. У практиці В більшості випадків, особливо в основах споруд, тиску на грунт мають величину порядку 1-3 кг/см2, рідко досягаючи 4-5 кг/см2. Тому і було запропоновано при невеликих змінах тиску (близько 1-3 кг/см2) для мінеральних грунтів приймати відрізок компресійної кривої в межах зміни цих тисків за пряму.

Це рівняння практично буде досить точно, так як для більшості компресійних кривих при невеликій зміні тисків відхилення відрізка кривої від прямої не перевищать похибки окремих дослідів.

Коефіцієнт стисливості є найважливішою розрахунковою характеристикою ґрунтів, так як він входить множником у всі формули для розрахунку осідань споруд. Крім того, знання його величини дає можливість зробити і загальну якісну оцінку ґрунту як підстави для споруд. Так, якщо коефіцієнт стисливості має величину порядку 0,001 см2/кг (тобто одну або кілька тисячних см2/кг), то відповідні грунти можна охарактеризувати як малосжимаемые надійні підстави для споруд; якщо ж коефіцієнт стисливості близько 0,01 см2/кг, то грунти будуть володіти середньої стисливість, і при використанні їх в основах споруд необхідний облік нерівномірності осад; нарешті, при величині коефіцієнта стисливості близько 0,1 см2/кг грунти характеризуються як надмірно стискувані, і в більшості випадків при зведенні споруд, такі ґрунти потребують штучного укріплення.

Загальні відомості про ґрунти.

Скелясті грунти — масивні породи мають міцну зв'язок складових частинок, мають значну міцність на стиск і не промерзають, ідеальна основа для фундаменту.

Крупноуламкові (хрящуваті) грунти — складаються з уламків каменів, валунів, щебеню і гравію в обсязі понад 50%, не пов'язаних між собою. Вони стискаються незначно і є надійними підставами. При наявності більше 40% піщаного заповнювача або більше 30% пилувато-глинистого від загальної маси враховується тільки дрібна складова ґрунту, оскільки саме вона буде визначати несучу здатність. Грунт може бути спучуючих, якщо дрібна складова — пилуватий пісок чи глина.

Піщані грунти — суміш зерен кварцу і інших мінералів, що містить глини не більше 3%. Пісок за зерновим складом і розміром фракцийразделяется на наступні види:

— гравелисті ліски - частинки розміром 0,25... 5 мм; крупний пісок якщо переважають частинки розміром 0,25...2 мм;

— пісок середньої крупності - частинки розміром 0,1...1 мм; дрібні піски якщо переважні розміри частинок менше 1...0Л мм

Чим крупніше фракції піску, тим більше навантаження вона може нести.

Гравелисті, крупні та середньої крупності піски значно ущільнюються під навантаженням, незначно промерзають.

Мулисті грунти, осад мікробіологічних процесів і різних нашарувань. З-за невисокої міцності грунти непередбачувані, їх використання в якості підстав необхідно розглядати кожен випадок окремо.

Просадні ґрунти — під дією зовнішніх чинників і власного ваги дають значне просідання. До таких ґрунтів належать леси і лесовидні ґрунти. Грунти містять не менше 50% пилоподібних частинок і невелика кількість вапняних і глинистих частинок. У сухому стані мають значну пористість - до 40% і є міцними. При зволоженні зв'язку всередині частинок слабшають і відбувається осідання зі зменшенням пористості і зміною структури ґрунту. На лессове грунти взагалі не можна ставити фундамент, при зволоженні він повністю втрачає міцність.

Набухаючі грунти (пориста глина) здатна вбирати в себе вологу і розбухають, а в процесі замерзання ще більше збільшуються в об'ємі. При висиханні спостерігається зворотний процес. Підстави, складені такими ґрунтами, розраховують по спеціальній методиці, а самі фундаменти виконуються з певними конструктивними особливостями.

Торф'янисті грунти і пилуваті піски в зволоженому стані перетворюються в пливун. Існує безліч різних способів будівництва на таких грунтах, головне точно визначити глибину залягання і потужність шару. Всупереч широко поширеній думці пливуни не є вироком майбутнього будівництва.

Насипні грунти є результатом переміщення грунту. Злежані протягом більше 3-х років, особливо піски, можуть служити підставою під фундамент невеликих будівель, за умови, що в ньому відсутні рослинні рештки та побутове сміття. Насипні грунти вельми неоднорідні, крім того різні органічні і неорганічні матеріали істотно погіршують його механічні властивості. Навіть при відсутності органічних примесейв деяких випадках вони залишаються слабкими протягом багатьох десятиліть.

Види структури і текстури грунтів.

При вільному падінні частинок, що мають розміри піщаного зерна (более0,05 мм), утворюється проста зерниста структура, в якій переважають сили тяжкості порівняно з колоїдними (осмотичним) силами, в результаті чого спостерігається найбільше число контактів твердих частинок. Формування структури природних ґрунтів із твердими. Розмір контактних майданчиків залежить від форми мінеральних частинок, що виникають в контактах электромолекулярные сили залежать від стану поверхні частинок і їх мінералогічного складу. Так як сили взаємодії між мінеральними частинками набагато менше порівняно з їхньою вагою, то частка падає вільно, скочуючись у заглиблення, і утворює пухку зернисту структуру. Якщо грунт піддати струшуванню, то відбудеться переміщення частинок, грунт ущільниться (в одиниці об'єму ґрунту мінеральних частинок стане більше) і прийме щільну зернисту структуру.

При вільному падінні частинок у воді у точках дотику вони будуть з'єднані адсорбованими плівками води. Якщо сили зчеплення в точках дотику падаючої частинки з раніше осіли настільки значні, що перевершать силу ваги частинки (при дуже малих частинках), то осідаючі частинки залишаються там, де вони спочатку торкнулися осаду, в результаті чого структура стає сотообразной, або губчастої. Якщо розмір мінеральних частинок менше 1 мк (0,001 мм), то вони вже будуть мати властивості колоїдних частинок і при зануренні у воду довгий час будуть перебувати у зваженому стані. Якщо суспензію додати кілька крапель електроліту сили відштовхування між частинками зменшуються і частинки отримують можливість зблизитися. При зіткненні частинок виникає початкова тертя, частки злипаються і випадають пластівчасту масу. Подібним шляхом утворюються складні пластівчасті структури.

При повному диспергирование глинистого осаду, коли мінеральні частинки не злипаються в агрегати, залежно від насичення тими чи іншими іонами утворюються наступні два види досить пухкої структури глинистих опадів: флоккулентная карткова і палочно-солом'яний.

Наведені дані, що показують вплив на структуру опадів насичення тими чи іншими іонами, можуть бути дуже корисні при оцінці поведінки глинистих грунтів при зсуві.

Структура природних ґрунтів, особливо глинистих, досить складна. Поряд з різноманітністю частинок, які беруть участь в будові ґрунту, має істотне значення і наявність у воді електролітів, колоїдів, органічних склеюючих речовин та ін.

Під текстурою грунтів слід розуміти сукупність ознак, що характеризують неоднорідність складання грунтової товщі в пласті, тобто неоднорідність у розташуванні структурних та механічних елементів в окремих шарах ґрунту.

Текстура грунтів зобов'язана своїм походженням як умовами утворення ґрунтових нашарувань, наприклад періодичності осадження частинок у текучою та спокійній воді, так і подальшим змінам у величині і напрямку зовнішнього тиску. Розрізняють такі основні види текстури ґрунтових товщ: шарувата, порфировая, комірчаста і злиту.

Найбільш поширені шаруваті текстури ґрунтів, серед яких можна розрізняти стрічкове додавання (наприклад, в тонкошарових озерно-льодовикових відкладах з переміжними тонкими глинистими і піщаними прошарками), косослойное додавання, що спостерігається в деяких видах мілководних морських відкладень, і сланцеватое в глинистих і мулистих грунтах, що піддавалися в геологічному минулому значним тиском з частковою цементацією. Яскраво виражена шарувата текстура грунтів і всі її різновиди роблять грунти анізотропними, тобто фізичні властивості таких ґрунтів (наприклад, водопроникність, опір зрушенню, пружність тощо) будуть різко відрізнятися в різних напрямках.

У грунтах порфіровою текстури обидві складові (грубозернистый матеріал і дисперсний — глинистий) беруть участь у загальному опорі грунту до дії зовнішніх сил, але такі властивості, як щільність, водопроникність, опір зрушенню і пружність грунтів, будуть залежати головним чином від властивостей дрібнодисперсного матеріалу, в який включені великі уламки гірських порід.

Комірчаста текстура характерна для деяких видів засолених, а також для дисперсних мерзлих ґрунтів, промерзання яких відбувалося в умовах неодностороннего охолодження. Грунти комірчастою текстури в різних напрямках, часто у взаємно-перпендикулярних, розділені на ряд окремостей, проміжки між якими заповнені одним з компонентів, що складають ґрунт, наприклад прошарками солей, льоду і т. п., утворюючи подібність осередків.

Нарешті, злитої текстурою мають деякі стародавні глини та мули, що піддавалися в геологічному минулому значним тиском, а також деякі різновиди лесів і лесовидних суглинків, недоуплотненных, але зцементованих солями.

Складові елементи грунтів.

Розглядаючи природні грунти як дисперсні тіла верхньої частини кори вивітрювання — літосфери, слід насамперед зазначити, що в умовах природного залягання вони представляють складну систему взаємодіючих між собою частинок, що перебувають у твердому, рідкому і газоподібному стані.

Кількісні співвідношення складових елементів грунтів не залишаються постійними, а змінюються з тією чи іншою швидкістю під впливом зовнішніх фізико-геологічних і механічних впливів. Істотне значення тут матимуть співвідношення між окремими групами частинок і, особливо, кількість дрібних і найдрібніших твердих частинок грунтів, найбільш активних, які мають найбільшу питому поверхню. Такі будівельні властивості ґрунтів, як їх ущільнення, стійкість структури, опір зовнішнім силам і пр., залежать не тільки від розміру частинок, але і від їх мінералогічного складу, гідрофільності, наявності в грунтовій воді розчинених солей (головним чином сульфатів і карбонатів кальцію, уповільнюють ущільнення опадів), а також від вмісту органічних включень, особливо колоїдальних.

Все це і обумовлює механічну неоднорідність грунтів, особливо глинистих. У загальному випадку грунт можна уявити що складається з трьох компонентів: твердих мінеральних частинок, як правило, займають більшу частину об'єму ґрунту, рідких, частково або повністю заповнюють проміжки між твердими частинками ґрунту (пори), та газоподібних — різного роду газів і парів, також займають ту чи іншу частину об'єму пор ґрунту і містяться в розчиненому стані в грунтовій воді. Властивості цих компонентів, їх кількісні співвідношення в грунті, а також электромолекулярные, фізико-хімічні, механічні та інші взаємодії між компонентами ґрунтів та їх агрегатами і визначають природу ґрунтів.

Формування структури природних ґрунтів.

Під структурою грунтів розуміють обумовлене характером внутрішніх зв'язків закономірне розташування різних за крупністю і формі мінеральних частинок або окремих агрегатів частинок, на які грунти можуть розпадатися. Структура природних ґрунтів є найважливішим чинником, що визначає властивості грунтів як підстав і середовища для зведення споруд, так як вона в основному визначає опір і деформованість грунтів під дією зовнішніх сил. При формуванні структури природних грунтів важливе значення мають электромолекулярные сили взаємодії між мінеральними частинками (що залежить від хімічного складу частинок, їх питомої поверхні тощо) і сили взаємодії між частинками і водою, а також співвідношення їх з вагою частинок. Властивості середовища, в якій осаджуються частинки (нехай це повітря або вода, її засоленість), суттєво впливають на структуру утворюються мінеральних опадів.

При осадженні мінеральних часток у воді до них приєднується значна кількість молекул води, що і для мінеральних частинок колоїдних розмірів з великою активністю часта обсяг адсорбованої води буде у багато разів більше обсягу мінеральної частинки, що обумовлює надзвичайну рихлість деяких глинистих опадів, коли з усього обсягу грунту до 90% складають пори, заповнені водою, і лише близько 10% — мінеральні частинки. Істотне значення при цьому мають як розміри, так форма і склад мінеральних опадів колоїдних розмірів.

У формуванні мікроструктури глинистих опадів велике значення має осмотичний ефект, який обумовлює рихлість опадів, так як при зближенні гідратних оболонок на відстань, меншу, ніж подвійна товщина дифузного шару, виникають сили відштовхування, що врівноважують зовнішній тиск, причому, чим більше буде зближення, тим сили відштовхування будуть більше. Коли ж зближення досягне декількох молекулярних шарів, починають переважати сили безпосереднього молекулярної взаємодії між частинками, що сприяє виникненню нових, більш значних зв'язків. Крім того, частинки, що осіли під кутом один до одного, при незначній відстані між ними під розклинюється дією осмотичних сил прагнуть бути паралельними між собою, для чого при в'язкому опорі потрібно відомий проміжок часу. У формуванні структури глинистих колоїдів істотне значення має і ефект седиментації, тобто випадання частинок у вигляді агрегатів зі швидкістю, що залежить від концентрації у воді електролітів.

Види деформацій грунтів.

Дія зовнішніх сил на тіло викликає його переміщення. Якщо тіло здійснює поступальний рух або обертається без зміни відносного розташування частинок, то воно не деформується; такі переміщення не викликають ніяких внутрішніх напружень. Тільки переміщення окремих частин тіла пов'язані з виникненням у ньому напруженого стану. Якщо навантаження, грунтів прикладену до деформуємому тіла, зняти, то одні частинки тіла вернутися в попереднє положення, а інші залишаться в положенні, отриманому при дії навантаження, тобто спостерігаються пружні і залишкові деформації. У твердих тілах, наприклад, в металах, величина залишкових деформацій незначна, і ними часто можна знехтувати, тобто розглядати такі тіла як пружні.

У грунтах ж при дії зовнішніх сил виникають як пружні, так і залишкові деформації, причому залишкові деформації часто в десятки разів перевершують пружні. Істотною відмінністю грунтів від пружних тіл є те, що при дії зовнішніх навантажень залишкові деформації завжди супроводжують пружним, навіть при незначних навантаженнях. Сума залишкових і пружних деформацій складає загальну деформацію. В одних випадках особливо важливе значення набуває загальна деформація ґрунтів, в інших — пружна і, нарешті, залишкова.

Різні види деформацій грунтів обумовлюються різними фізичними причинами, що викликають їх. Пружні деформації можуть бути двох родів: пружні зміни обсягу (деформації стиснення-розтягування), що спостерігається при періодичній стискає або розтягує навантаженні і розвантаженні, і пружні спотворення форми без зміни обсягу, що відбуваються головним чином при миттєвих навантаженнях. Так як пружні деформації поширюються зі швидкістю звуку, то компресійних змін грунту практично за час дії миттєвих навантажень (за винятком вібрацій) не виникає, бо для їх розвитку потрібно достатній проміжок часу.

Деформації ущільнення і набухання, які слід віднести до непружним деформацій, вимагають значного часу для свого розвитку і обумовлюються компресійними властивостями ґрунтів. Види деформацій ґрунтів і причини, що їх зумовлюють набухання ґрунтів є незворотними, оскільки крива ущільнення не збігається з кривою набухання, що відбувається внаслідок порушення структури грунту в процесі його консолідації.

Деформації повзучості зумовлені взаємними зрушеннями частинок, причому в залежності від того, який процес при даній навантаженні переважає — зміцнення або зсув, повзучість може бути затухаючої або усталеною з постійною швидкістю деформування.

Чисто залишкова деформація ґрунтів виникає внаслідок руйнування структури та зламу частинок буде суттєвим фактором для споруд, що зводяться з грунту. В результаті дії повторних навантажень залишкова деформація накопичується, і, наприклад, у грунтових дорогах утворюються колії, погіршують .прохідність.

Розглянуті фізичні причини, що зумовлюють характер тих чи інших видів деформацій грунтів, в природних умовах можуть існувати в різноманітному поєднанні. В одних випадках основне значення будуть мати одні причини, в інших — інші; іноді ж на деформації будуть впливати одночасно кілька причин.

Лесові просідаючі грунти.

Великий клас структурно-нестійких грунтів становлять лесові просідаючі грунти, в яких порушення структури з виникненням значних осідань відбувається при замочуванні їх під навантаженням.

Просадками називаються місцеві швидко протікають вертикальні деформації грунтів, обумовлені різким корінним порушенням структури і супроводжуються частковою або повною втратою опірності порушених мас ґрунту, а при надмірному зволоженні — видавлюванням грунтів в сторони.

Практика будівництва на лесових грунтах показала, що осідання можуть досягати значної величини. Так, стіна рудного крана Кузнецького заводу приблизно за один рік осіла на 37 див. Властивість лесових грунтів втрачати стійкість своєї структури при зволоженні обумовлює настільки своєрідні будівельні якості цих ґрунтів, що вимагає особливого розгляду.

Лесові грунти залягають на значній частині території Росії, більш 16% континентальної поверхні. Для практики будівництва дуже важливо вміти відрізняти просадні лесові грунти від звичайних, знати особливості механічних властивостей просадних грунтів і передбачити вплив цих властивостей на зведені споруди.

Слід зазначити, що до теперішнього часу походження лесових ґрунтів, незважаючи на надзвичайно важливе значення цього питання, різні дослідники пояснюють по-різному. Існують дві основні гіпотези походження цих грунтів: эоловая гіпотеза і грунтова.

Эоловая гіпотеза пояснює походження лесових грунтів діяльністю повітряних течій, які з пустельних областей несуть дрібну пил в суміжні з пустелями області, де і отлагают її тонкими шарами. Степова рослинність спільно з випадаючими дощами сприяє закріпленню пилу; корені і стебла рослин, сгнивая, залишають порожнечі, що створюють макропористість лесових відкладень. Пористість ще більш збільшується внаслідок ходів дощових черв'яків і землероев.

Грунтова гіпотеза пояснює освіта лесових грунтів почвообразовательными процесами, що відбуваються в сухому кліматі. При вивітрюванні грунту в сухому кліматі процес протікає в лужному середовищі, причому залишаються карбонати кальцію обволікають частинки і згортають їх у більші агрегати (частинки діаметром менше 0,01 мм перетворюються на частинки діаметром 0,01—0,05 мм), чому весь грунт набуває пористу будову.

З вироблених пошарових хімічних аналізів лесових відкладень на значну глибину випливає, що ступінь выветренности шарів зменшується по мірі поглиблення. Роль карбонатів і гіпсу зводиться частково до утворення кристалів, а частково до цементації тонких продуктів мінеральної суміші.

Грунтова гіпотеза справила значний вплив і на эоловую гіпотезу. Більшість дослідників вважає, що основні маси лесових ґрунтів, що утворилися эоловым шляхом, однак це не виключає можливості походження деяких видів лесових ґрунтів і відкладів водних басейнів, що утворилися при таненні древніх льодовиків, а також при переотложении пилуватих ґрунтів дощовими водами. Лесові породи часто поділяють на типові леси і лесовидні ґрунти. Типовий однорідний і потужний шар лесу створюється лише з материнської породи, що представляє накопичення еолової пилу шляхом грунтоутворювального процесів, що йдуть одночасно з її накопиченням.

Грунти ж, що утворюються з різних материнських порід у результаті процесів ґрунтоутворення і вивітрювання в умовах сухого клімату, а також переотложенные еолові відкладення не є типовими лессами, але, володіючи багатьма властивостями останніх, можуть бути названі лесовидними.

В будівельному справі в даний час прийнято об'єднувати зазначені різновиди грунтів під одним загальною назвою лесові грунти, іноді приєднуючи до них епітет «макропористі», так як в умовах природного залягання ці грунти мають видимі неозброєним оком пори (макропори), величина яких значно перевершує величину звичайних пір, відповідних приблизно розмірами мінеральних часток грунту.

Характерні властивості лесових ґрунтів можуть бути повністю висвітлені лише на основі використання основних залежностей механіки ґрунтів, викладених нижче.

Зовнішніми ознаками, що відрізняють макропористі лесові грунти, будуть наступні:

1. Видима неозброєним оком пористість (макропористість), обумовлена наявністю тонких, більш або менш вертикальних канальців іноді з залишками рослин. Канальці, що пронизують всю товщу лесовидних грунтів, покриті зсередини нальотами вуглекислих солей.
2. Стовпчаста окремість. Це властивість лесовидних грунтів проявляється особливо яскраво на відкритих місцях, що піддаються дії атмосферних опадів. У штучних виїмках і свіжих розрізах окремостей не спостерігається.
3. Швидке размокание у воді і велика водопроникність. Так, коефіцієнт водопроникності (фільтрації) лесу для зразка непорушеної структури був у 100 разів більше коефіцієнта водопроникності для перемятого, позбавленого макропор зразка того ж грунту.
4. Наявність твердих мергелистих включень. Трубчасті порожнечі лесових грунтів у більшості випадків вкриті тонким шаром вапна, крім того, окремі вапняні і мергелістих включення самої різноманітної форми знаходяться в лесових ґрунтах в досить значній кількості. При випробуванні цих грунтів 3%-ним розчином соляної кислоти спостерігаються бурхливе скипання і швидке припинення виділення бульбашок газу.
5. Характерний розподіл вологості по глибині з наявністю на деякому рівні так званого «мертвого горизонту» з меншою порівняно з вищерозташованими і нижележащими шарами вологістю. У мертвому горизонті спостерігається максимальний вміст солей. Нижче горизонту мертвого вологість зростає поступово, досягаючи величини максимальної вологоємності. Зазначимо також, що, як правило, в товщі лесових порід спостерігаються тільки два горизонти грунтових вод: верховодка і нижній горизонт ґрунтових вод.
6. Характерний склад. За гранулометричним складом лесовидні ґрунти характеризуються переважанням пилуватих фракцій (часток розміром від 0,05 до 0,005 мм зазвичай понад 50%) при незначному вмісті глинистих частинок (від 4 до 20%). Як правило, лесовидні ґрунти відрізняються значною однорідністю гранулометричного складу, причому коефіцієнт неоднорідності часто буває не більше 5.

За хімічним складом головними складовими частинами лесових ґрунтів є: силікати — від 27 до 90%, глинозем — від 4 до 20% і вуглекислий кальцій —від 6 до 67%. З перерахованих зовнішніх ознак лесів і лесовидних грунтів найбільш характерними будуть: макропористість, швидке размокание у воді (протягом 1-2 хв) і наявність карбонатів (скипання при випробуванні кислотою).

Як вже зазначалося, характерною властивістю макропористых грунтів є їх просадочность при замочуванні під навантаженням. Зразок лессовидного ґрунту природної структури при випробуванні на осадку в умовах, що виключають можливість витиснення грунту в сторони, під навантаженням 2,5 кг/см2 після замочування дає осадку, в 7 разів більшу, ніж осаду такого ж зразка ґрунту і при тому ж навантаженні, але випробуваного при природній вологості (без замочування).

Для пояснення поведінки лесових грунтів при була висунута гіпотеза, згідно з якою збільшення осідання лесових ґрунтів при замочуванні під навантаженням пояснюється нестійкістю макропор пронизують всю товщу лесовидних грунтів, внаслідок втрати зв'язності (зчеплення) між частинками ґрунту при просочуванні води. Часто достатньо тиску близько 0,5— 1 кг1см2, при якому стінки пор руйнуються та відбувається різке ущільнення ґрунту, що і викликає значні додаткові опади.

За сучасним поглядам просадочность макропористых лесових грунтів виникає внаслідок недоуплотненности і здібності агрегатів частинок цих ґрунтів до пептизації при зволоженні, тобто до переходу твердих колоїдних плівок в рідкий розчин. Утворені при цьому водні плівки внаслідок їх розклинюючого дії розсовують грунтові частинки, руйнують агрегати частинок і створюють умови, сприятливі для доуплотнения лесових ґрунтів. Крім того, відоме значення в руйнуванні структури агрегатів частинок має і розчинення солей, цементуючих частинки лесових грунтів, а також дія осмотичного тиску, що виникає внаслідок різниці концентрації солей плівкової води і води.

Якщо ж лесові ґрунти мають агрегати частинок, зцементовані не растворяющимися у воді солями, то при замочуванні ці грунти, осідань не дають. Щоб порушити структурні зв'язки в лесових ґрунтах, одного замочування недостатньо, необхідно докласти деякої величини навантаження, різну для різного ступеня сцементированности лесових грунтів, причому байдуже, чи це власна вага верхніх шарів ґрунту або зовнішнє навантаження від споруди або пробного випробування.

При певній величині навантаження, що прикладається одночасно з замочуванням, виникає лавинне руйнування структурних зв'язків грунту та його структура різко і корінним чином змінюється — виникають осідання. Для кількісної оцінки просідання лесових ґрунтів відчувають їх зразки природної непорушеної структури на стисливість без можливості бокового розширення, тобто зразки поміщають в жорстке кільце. Спочатку визначають деформації зразка при природній вологості його, а після того, як буде досягнуто проектне тиск, зразок замочують до повного насичення, визначаючи при цьому його деформацію. В результаті руйнування структурних зв'язків, якщо зовнішній тиск більше структурної міцності грунту в замоченому стані, виникає різка швидка осаду (осідання) зразка.

Зразок грунту необхідно замочувати при навантаженні, що відповідає сумі природного тиску і тиску (стискаючого напруження), яке буде в грунті від споруди на глибині взяття зразка. Максимально можливу величину осідання всій просадочной товщі макропористых лесових ґрунтів визначають за величиною відносної просідання окремих шарів і їх потужності.

Тут підсумовування необхідно поширити на всі верстви (від підошви фундаменту до глибини залягання всій просадочной товщі), а величину відносної просідання визначати з урахуванням фактичного тиску на грунт від зовнішнього навантаження і верхніх шарів ґрунту.

За величиною максимальної осідання всій просадочной товщі зазвичай призначають противопросадочные заходи, основними з яких є всемірне недопущення замочування грунтів під спорудами або створення таких конструктивних особливостей споруд, які забезпечили б їх малу чутливість до нерівномірним опадів (конструювання будинків з окремих жорстких блоків, що допускають незалежність осідання; застосування пристроїв, що регулюють висоту окремих частин споруди, тощо).

При оцінці загальної деформації лесових грунтів, схильних до замочуванню з одночасним загружением, необхідно враховувати такі три складові: осідання, обумовлену ущільненням ґрунту (тобто зменшенням пористості при збільшенні тиску), просідання, що виникає в результаті докорінної зміни структури грунту при переході його з макропористого структурного стану в безструктурну водонасичену масу, і послепросадочную деформацію ґрунту, викликане повільним порушенням кристалізаційних зв'язків, суффозией (вымывом) найдрібніших частинок і повзучістю скелета ґрунту при тривалій дії фільтрації.

Загальна деформація просадних грунтів при малій їх величині, буде визначатися загальними залежностями теорії лінійно деформівних тіл і може оцінюватися як за результатами випробувань без можливості бокового розширення ґрунту, так і за даними тривісних випробувань. При цьому, просідання лесових грунтів обумовлюється не тільки вертикальними деформаціями, але і здатністю навколишнього товщі просідати (деформуватися) в горизонтальному напрямку і залежить як від вертикальних стискаючих напружень, так і від співвідношення головних напруг та їх різниці.

Властивості лесових ґрунтів в процесі їх осідання різко змінюються. Опір замоченого грунту зрушенню знижується в кілька разів це показує, що несуча здатність лесових ґрунтів після порушення їх структурної зв'язності в процесі осідання при замочуванні під навантаженням надзвичайно падає, і ґрунти легко видавлюються з-під підошви фундаментів.

Властивості мулистих грунтів.

Одним із структурно-нестійких видів грунтів є мулисті грунти, структура яких не володіє достатньою міцністю і стійкістю і може бути порушена дією додаткового (крім природного) тиску (часто дуже незначної величини), що дозволяє віднести їх до типу слабких малоустойчивых природних підстав. При непорушеною структурою мулисті грунти можуть сприймати деяку навантаження від споруд; при порушенні ж її вони часто стають непридатними як підстави для споруд і потребують спеціальних заходів щодо їх зміцнення, ущільнення або закріплення.

Мулисті грунти утворилися в початковій стадії формування колоїдно-глинистих опадів, откладывающихся у відносно спокійній воді при одночасному протіканні в них гідробіологічних процесів. Відкладення у воді глинистих частинок сприяє утворенню губчастої і навіть пластівчасту структури опадів, а наявність гідробіологічних процесів — збільшення структурної зв'язності та виділенню газів, що обумовлює взрыхленность колоїдно-глинистих опадів.

Вологість природних мулів, як правило, більше вологості при межі плинності (яка визначається для перемятых зразків), а коефіцієнт пористості для суглинків і супісків, часто досягаючи ще більшої величини.

За часом існування іли поділяються на сучасні і древні, причому останні, хоча різко і не змінюють своєї структури, що утворилася в початковій стадії їх формування, але є більш ущільненими і мають кілька структурну зв'язність.

Залежно від водної середовища, в якому відкладалися мулисті грунти, розрізняють іли прісноводні і морські. Морські мули, сформовані у морській солоній воді утримують значну кількість молекул води у зв'язному стані, що зумовлює їх достатню міцність і стійкість. Однак при зміні під дією геологічних умов існування мулів,

Виходячи із загальних властивостей мулів, виникають наступні два способи раціонального зведення на них споруд: перший — заміна сильно стискуваних і розріджених ілів більш стійкими і міцними ґрунтами, наприклад піском, і другий — ущільнення і зміцнення ілів невеликими порціями навантажень.

Заміна пісками або галькою застосовується при невеликій потужності шару мулів у разі зведення на них насипів або дамб, коли отсыпаемое тіло видавлює іли в сторони, що продовжується до тих пір, поки насип не досягне щільного грунту.

Статті pp-budpostach.com.ua Все про лазні

Статті по пїноблоку,пінобетону,пінобетонним блокам

Статті pp-budpostach.com.ua Статті по бетону

Статті Все про парканах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)