Грунты. Виды связей в грунтах. Классификация по ГОСТ 25100-95

Грунты – горные породы, почвы и техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Грунтоведение – наука о физико-механических свойствах, условиях образования грунтов, изменениях, происходящих в них в ходе природных геологических и инженерно-геологических процессов при строительстве и эксплуатации сооружений.

Основой при классификации, особенно при выделении главной таксономической единицы – классов, является характер связей между частицами грунтов.

Виды связей в грунтах:

1. Жесткие прочные не меняющиеся при увлажнении (структурная связь химической природы)

2. Жесткие прочные, ослабляющиеся при увлажнении (структурная связь химической природы).

3. Подвижные водно-коллоидные, резко меняющие прочность при увлажнении или осушении породы (структурная связь за счет молекулярного и ионно-статического взаимодействия).

4. Отсутствие структурных связей (связь за счет – силы трения).

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

класс – по общему характеру структурных связей,

группа – по характеру структурных связей, включая их прочность,

подгруппа – по происхождению,

тип – по вещественному составу,

вид – по наименованию грунта (с учетом размера частиц и показателей свойств)

разновидности – по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

Согласно ГОСТ 25100-95 выделяются следующие классы грунтов:

1. Класс природных скальных грунтов.

2. Класс природных дисперсных грунтов.

3. Класс техногенных грунтов.

4.Класс природных мерзлых грунтов.

Класс природных скальных грунтов включает группы скальную со связями жесткими прочными, не меняющимися при увлажнении (магматические, метаморфические породы, песчаники, конгломераты на кремнистом цементе, известняки, доломиты) и полускальную со связями в грунтах жесткими прочными, меняющимися при увлажнении или осушении (диатомит, трепел, мел, мергель, гипс, ангидрит, галит).

Класс природных дисперсных грунтов – включает группы связных грунтов с водно-коллоидными связями (с видами: - глинистые грунты – супеси, суглинки глины, илы, сапропели заторфованные земли, почвы, торф) и несвязных грунтов (с видами: пески и крупнообломочные грунты).

Классы природных дисперсных и природных мерзлых грунтов требуют от строителей особого внимания, поскольку их устойчивость и прочность как оснований сооружений непостоянны и меняются в зависимости от изменений условий внешней среды (температуры и влажности).

Природные дисперсные и мерзлые грунты – рыхлые или связные горные породы, состоящие из частиц, не связанных между собой (пески, крупнообломочные грунты) или связанных таким образом, что прочность связей во много раз меньше прочности самих частиц (глинистые грунты, часть мерзлых грунтов).

2. Нескальные грунты как дисперсные системы. Фазовый состав грунтов.

Дисперсные грунты – накопления мелких частиц в виде песчаных или глинистых образований. Грунты состоят из твердых минеральных частиц, поры между ними заполнены водой и газом. В грунтах взаимодействуют три фазы: твердая, жидкая и газообразная (в мерзлых грунтах находится и 4-ая фаза – лед).

В зависимости от роли фаз в проявлении тех или иных свойств грунтов все грунты делятся на системы:

Однофазные - твердая фаза + газ (сыпучие грунты – крупнообломочные и песчаные, в которых газ сообщается с атмосферой и не влияет на свойства грунтов).

Двухфазные - твердая фаза + вода (водонасыщенные песчаные и глинистые грунты, находящиеся ниже УГВ).

Трехфазные – твердая фаза + вода + газ (водонасыщенные песчаные и глинистые грунты, находящиеся ниже УГВ; газ находится в замкнутых порах и не влияет на свойства грунтов).

Четырехфазные – твердая фаза + вода + газ + лед (мерзлые грунты).

3.1. Твердая фаза. Вещественный и гранулометрический состав.

Состав твердой фазы:

минеральная часть органическая часть

первичные вторичные торф гумус

минералы минералы

скелет грунта цемент грунта

кварц, полевые глин., крем.,

шпаты карб, железис-

тый мат- лы

Торф и гумус – нежелательные примеси, придающие грунтам пластичность, повы-шенную влагоемкость, слабую водоотдачу, плохую водопроницаемость, повышенную сжимаемость.

Гранулометрический состав грунтов. Сыпучие и связные глинистые грунты представляют собой смесь частиц различного размера. В зависимости от размера частицы объединяются во фракции. Фракция – группа частиц с одинаковым диаметром определенного диапазона. Гранулометрический состав – процентное содержание фракций по массе. Природные грунты большей частью – смесь различных фракций - песчано-гравийная, галечно-гравийная и т.д. Гранулометрический состав определяется гранулометрическим анализом.

2.2. Жидкая фаза. Виды воды в грунтах.

Вода в грунтах находится в следующих видах: твердая (лед), газообразная, (водяной пар), жидкая и химически связанная. Хим. связанная вода входит в состав минералов и отражена в формуле (гипс – СаSO₄ 2Н₂О). Газообразная вода находится в воздухе, заполняющем поры (кол-во не превышает 0.001 % от массы грунта). Твердая вода – в мерзлых грунтах с отрицательной температурой.

Жидкая вод а в зависимости от степени связности с твердыми частицами делится на гигроскопическую, пленочную, гравитационную и капиллярную. Гигроскопическую и пленочную воду называют физически связанной водой, т.к. они удерживаются на поверхности частиц с помощью электромолекулярных сил.

Гигроскопическая (прочносвязанная) вода образует на поверхности твердых частиц пленки толщиной в несколько молекул, удерживающиеся на ней электромолекулярными силами величиной до 1000 МПа; имеет плотность 1.5 г/см³, замерзает при -78^о, не растворяет солей, обладает сопротивлением сдвигу. Удаляется из грунта под большим давлением или при очень высоких температурах.

Пленочная (рыхлосвязанная) вода покрывает пленкой гигроскопическую воду и удерживается на частицах электромолекулярными силами величиной в сотни атмосфер. Эта вода может передвигаться от частиц с большей толщиной пленок воды к частицам с меньшей толщиной пленок, имеет повышенную вязкость, плотность выше 1 г/см³, замерзает при темп. ниже 0^о, обладает пониженной растворимостью. С пленочной водой связаны такие свойства глинистых грунтов как набухание, усадка, пучение и пластичность.

Гравитационная (свободная или поровая) вода заполняет поры, трещины, каверны в грунтах и передвигается в них под влиянием силы тяжести. Это – обычная вода, она образует водоносные горизонты в водопроницаемых породах.

Капиллярная вода заполняет трещины и поры в грунтах, удерживается в них силами поверхностного натяжения. Она располагается над УГВ и поднимается над ним под действием капиллярных сил. Высота подъема зависит от размера пор грунта (от размера частиц грунта) и составляет: в песке крупном – 1.5 м, в песке средней крупности – О.5м, в песке мелком – 1.0 м, в супеси – 1.0–2.0 м, в суглинке – 1.2–2.5 м, в глине – 3.0 – 4.0 м. С капиллярной водой связаны засолонение почв и появление сырости в подвалах.

2 .3. Физические свойства грунтов

К ним относятся: плотность грунта, плотность частиц грунта, влажность, коэффициент пористости, степень водонасыщения.

Плотность грунта, r – отношение массы грунта к его объему в природном состоянии. Зависит от влажности, пористости, минерального состава, ед. измерения – г/ см³, варьирует от 0.8 (торф) до 2.4 г/см³ (тяжелые глины).

Плотность частиц грунта, r_z – отношение массы частиц к занимаемому ими объему в предельно плотном сложении. Зависит только от минерального состава, ед. измерения - г/см³, варьирует от 2.64 (пески) до 2.74 г/см³ (глины).

Влажность, w – отношение массы воды, содержащейся в порах, к массе частиц грунта, выраженное в процентах или долях единицы.

Коэффициент пористости, е – отношение объема пор к объему частиц грунта, отражает плотность сложения грунта, выражается в долях единицы.

Коэффициент водонасыщения, S_r - отражает степень заполнения пор водой (доли ед.); для пород, залегающих выше УГВ, по величине S_r различают разновидности:

- маловлажные (S_r < 0,5),

- влажные (0.5-0.8),

- насыщенные влагой (0,8-1).

Грунты, залегающие ниже УГВ, имеют величину S_r, близкую к 1.

3. Класс природных дисперсных грунтов.