Физические свойства и классификация грунтов

Основные сведения об основаниях и фундаментах

Чтобы проектировать и строить фундаменты не только экономично, но, главное, надежно необходимо ясно представлять, как передаются на грунты нагрузки от сооружений, особенности поведения грунтов под действием на них сжимающих, выдергивающих и сдвигающих нагрузок, как изменяются свойства разных грунтов при действии на них воды. Ниже приведены основные положения и понятия, без которых невозможно перейти к изучению непосредственно конструкций фундаментов.

Для изучения и полноценного восприятия информации по фундаментам также необходимо знать основы инженерной геологии, механики грунтов и гидрогеологии. Инженерная геологияизучает и оценивает влияние геологических факторов на работу проектируемых зданий и сооружений, а также возможные изменения этих факторов в результате нарушения природных условий при возведении и эксплуатации зданий и сооружений. Механика грунтов занимается изучением напряженно-деформируемого состояния и физико-механических свойств грунтов оснований, разработкой методов расчета прочности и деформаций оснований, способов определения давления грунтов на ограждающие конструкции. Гидрогеологияизучает подземные воды, содержащиеся в толще грунтов.

Происхождение и состав грунтов

Грунты – горные породы, используемые как основание, среда или материал для возведения сооружения. По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические (изверженные) породы, образовавшиеся в результате застывания магмы, имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты.

Осадочные породы, образовавшиеся в результате разрушения (выветривания) горных пород и осаждения продуктов выветривания из воды или воздуха, могут быть скальными или нескальными. По своему происхождению скальные грунты делятся на континентальные и морские отложения.

Метаморфические породы – это претерпевшие изменения под влиянием высоких температур и больших давлений магматические и осадочные породы, они характеризуются наличием жестких, преимущественно кристаллических связей и классифицируются как скальные грунты.

 В зависимости от возраста грунты относят к различным геологическим системам. Самыми молодыми осадочными грунтами являются отложения четвертичной системы, которые наиболее часто используются в инженерной деятельности.

 Грунты, как правило, являются трехфазными системами и состоят из твердых частиц, поры между которыми заполнены газом и водой. Строительные свойства грунтов определяются минералогическим и гранулометрическим составом, структурой, текстурой и состоянием в природном залегании.

Под структурой грунта понимают размер, форму и количественное соотношение слагающих его частиц, а также характер связи между ними.

По характеру структурных связей выделяют грунты с жесткими (кристаллизационными) связями, которые развиты в магматических, метаморфических и осадочных сцементированных породах, т.е. в скальных грунтах, и грунты с водно-коллоидными связями, которые характерны для глинистых грунтов.

Под текстурой грунтов понимают пространственное расположение элементов грунта с разным составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте. Текстурные особенности грунтов определяют пути фильтрации воды, интенсивность и направление деформаций сдвига массива грунта.

Физические свойства и классификация грунтов

В соответствии с [29] различают грунты скальные, крупнообломочные, песчаные, пылеватые и глинистые, и почвы. В отдельную группу выделяют искусственные грунты.

Физические свойства грунтов характеризуются следующими основными параметрами: плотностью, пористостью, пластичностью, влажностью. Одной из основных характеристик грунта является плотность.

Для грунтов различают:

· плотность частиц грунта р_s – отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части этого грунта;

· плотность грунта р – отношение массы грунта (включая массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему;

· плотность сухого грунта р_d – отношение массы сухого грунта к занимаемому этим грунтом объему (включающие в этом грунте поры).

Плотность сложения грунта (степень уплотненности) характеризуется пористостью п или коэффициентом пористости е и плотностью сухого грунта.

Значение коэффициента е для грунтов меняется в довольно широких пределах. Для достаточно уплотненных грунтов е <1, если же е >1, то это показывает, что грунт весьма рыхлого, неуплотненного сложения, и строительство на таких грунтах требует специальных мер по искусственному их упрочнению.

 Влажность грунтов определяется высушиванием грунта при t=105^оС до постоянной массы. Отношение разности масс пробы до и после высушивания к массе абсолютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое в процентах или долях единицы. Долю заполнения пор грунта водой называют степенью влажности. Влажность песчаных грунтов (за исключением пылеватых) изменяется в небольших пределах и практически не влияет на прочностные и деформативные свойства этих грунтов.

 Пластичность – свойство грунта под действием внешних сил не разрушаться и сохранять свою форму после устранения этих сил, причем свойствами пластичности грунт обладает только при определенных значениях влажности.

 Грунты в зависимости от содержания пылевато-глинистых частиц делят на пластичные (пылевато-глинистые) и непластичные (песчаные).  В зависимости от влажности пылевато-глинистые грунты могут быть в твердом, пластичном и текучем состоянии. Непластичные (песчаные) грунты сыпучи, в сухом состоянии не обладают свойствами пластичности.

 По гранулометрическому составу классификация песков следующая:

· гравелистый (2мм) 25% (от массы воздушно-сухого грунта),

· крупный (0,5мм) 50%,

· средний (0,25мм) 50%,

· мелкий (0,1мм) 75%,

· пылеватый (0,025мм) 75%.

 Песчаное основание значительной мощности дает быстро затухающую и равномерную осадку и не обладает свойствами пучения.

 Среди нескальных грунтов выделяют крупнообломочные грунты – щебень, гальку, гравий. Они содержат по массе более 50% кристаллических и осадочных пород крупностью более 2мм, в отличие от песка, где их менее 50%.

 Крупнообломочные грунты малосжимаемы и, как правило, дают под нагрузкой небольшие и равномерные осадки и не обладают пучинистостью.

 Пески и крупнообломочные грунты по своим природным характеристикам служат хорошим основанием для зданий и сооружений.

 К пылевато-глинистым грунтам относят супеси, суглинки, глины, илы, лессовые грунты. Лессовые грунты – это макропористые грунты, содержащие карбонаты кальция и способные при замачивании водой давать под нагрузкой просадку, легко размокать и размываться. Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделить грунты также со специфическими неблагоприятными свойствами – при замачивании водой или химическими растворами грунты увеличиваются в объеме и без нагрузок.

 Особую группу нескальных грунтов составляют грунты, характеризуемые значительным содержанием органических веществ, биогенные (заторфованные грунты, торфы, сапропели – пресноводные илы), которые не рекомендуется использовать в качестве основания для зданий и сооружений.