Структура, текстура и структурные связи грунта.

Следует различать структуру грунта, т. е. взаимное расположение частиц грунта и характер связи между ними и текстуру грунта, т. е. сложение грунта в массиве.

 

Структура грунта	Текстура грунта
Зернистая	Слоистая
Сотообразная	Порфировидная
Хлопьевидная	Слитная (однородная)

 

Под структурой грунта понимается размер, форма и количественное (процентное) соотношение слагающих грунт частиц.

Под текстурой грунта понимается пространственное расположение элементов грунта с разными составом и свойствами. Текстура характеризует неоднородность строения грунта в пласте залегания.

Структурные междучастичные связи в грунтах можно подразделить на жесткие (кристаллизационные) связи и пластичные, вязкие связи (водноколлоидные). Жесткие связи более характерны для скальных грунтов, пластичные связи, главным образом, – для глинистых грунтов.

Жесткие связи могут быть растворимыми в воде или нерастворимыми. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водноколлоидные связи.

Состав грунтов

Грунты состоят из: твердых частиц; воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательной температуре грунта); газов (в том числе и воздуха).

Также в составе грунта, как необязательная составляющая, могут находиться органические компоненты.

Вода и газы находятся в порах между твердыми частицами. Вода может содержать растворенные в ней газы, а газы могут содержать пары воды.

Грунт = твердые частицы + вода + газ

поры (воздух + вода)

зерна

Грунт – это 3-фазная система

Состав грунта:

 

От соотношения этих фаз и зависят характеристики грунтов.

Свойства твердых частиц

Деформация грунта под нагрузкой проявляется в основном в изменении объема пор. Это изменение может произойти только при условии, что частицы передвигаются (сдвигаются) друг относительно друга. Поэтому свойства грунтов в значительной степени зависят от того, какие минеральные частицы в них преобладают.

Твердая минеральная масса состоит из первичных зерен скелета грунта ( обломков горных пород и минералов) и вторичных частиц, служащих цементирующим веществом грунта. Свойства твердых (минеральных) частиц зависят от размеров (крупности).

Диапазон изменения крупности частиц грунтов значительный. Частицы, близкие по крупности, объединяют в определенные группы, называемые гранулометрическимифракциями (или просто фракциями). Грунты состоят из фракций разной крупности. Процентное содержание в грунте по массе фракции определяет зерновой (гранулометрический) состав грунта (см. таблицу 1.1).

 

Таблица 1.1

Классификация твердых частиц

 

Наименование частиц	Поперечный размер (мм)	Примечания
Галечные (щебень)	> 10 (20)	Классификация по шкале Сабанина (по скорости падения частиц в воде)
Гравелистые	2 ¸ 10 (20)
Песчаные	0,05 ¸ 2
Пылеватые	0,005 ¸ 0,05
Глинистые	< 0,005

 

Глинистые частицы по химическому анализу существенно отличаются от остальных (форма их чешуйчатая и игольчатая) – таблица 1.2.

 

Таблица 1.2

Классификация глинистых грунтов (простейшая)

 

Наименование грунта	Содержит частиц < 0,005 (%)
Глины	> 30
Суглинок	10 ¸ 30
Супесь	3 ¸ 10

Свойства воды

Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым существенным образом зависят от состава и содержания в них воды. В грунте различают химически связанную, или кристаллизационную, физически связанную, или пленочную (характерна для пылевато-глинистых грунтов) и свободную воду. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара,
который обычно относят к газообразной составляющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

Химически связанная, или кристаллизационная, вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Этот тип воды практически неизвлекаем из грунта и недобавляем в грунт.

физически связанная, или пленочная, вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Это объясняется взаимодействием молекул воды вследствие наличия электромолекулярных сил с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта. Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц, и ее часто называют пленочной. Данная вода является связанной, и она трудно извлекается из грунта и добавляется в грунт.

Свободная вода в грунте не испытывает силу притяжения. Она подчиняется законам гидравлики, т. е. передает гидростатическое давление и может перемещаться под воздействием разности напоров. Часто свободную воду подразделяют на гравитационную (диаметр пор более 1 мм) и капиллярную (диаметр поры не превышает 1 мм). Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках, глинистых грунтах. Свободная вода легко извлекается из грунта и добавляется в грунт.

Свойства газа

Содержание воды и газа в грунте зависит от объема его пор: чем больше поры заполнены водой, тем меньше в них содержится газов.

В самых верхних слоях грунта газообразная составляющая представлена атмосферным воздухом, ниже – азотом, метаном, сероводородом и другими газами. Газы в грунте могут быть в свободном состоянии или растворены в воде. Свободный газ подразделяется на незащемленный,сообщающийся с атмосферой, и защемленный, находящийся в контактах между частицами и пленками воды в виде мельчайших пузырьков в воде.

Содержание в грунте защемленного и растворенного в воде газа существенно сказывается на свойствах грунта и протекающих в них процессах. Уменьшение давления вследствие разработки котлована или извлечения образца грунта на поверхность может привести к выделению пузырьков газа и разрушению природной структуры грунта. Наоборот, увеличение давления при передаче нагрузки от сооружения может сопровождаться повышением содержания растворенного в воде газа. В то же время увеличение содержания в воде пузырьков воздуха может увеличить сжимаемость воды в сотни раз и сделать ее соизмеримой со сжимаемостью скелета грунта.

Основные понятия и виды грунтов

Грунт скальный –грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.

Грунт полускальный – грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.

Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие (  МПа – скальные грунты,  МПа – полускальные грунты).

Грунт дисперсный – грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложением.

Грунт глинистый – связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности I_P ≥ 1.

Песок – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % .

Грунт крупнообломочный – несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50 %.

Грунт просадочный – грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки .

Грунт пучинистый – дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения .

Грунт мерзлый – грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями.

Грунт многолетнемерзлый (синоним – грунт вечномерзлый) – грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет.

Грунт сезонномерзлый – грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона.

Грунт морозный – скальный грунт, имеющий отрицательную температуру и не содержащий в своем составе лед и незамерзшую воду.

Техногенные грунты – естественные грунты, измененные и перемещенные в результате производственной и хозяйственной деятельности человека, и антропогенные образования.

Антропогенные образования – твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, в результате которой произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья.

Природные перемещенные образования – природные грунты, перемещенные с мест их естественного залегания, подвергнутые частично производственной переработке в процессе их перемещения.

Грунты, измененные физическим воздействием – природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие и т. д.) изменяет строение и фазовый состав.

Грунты, измененные химико-физическим воздействием – природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру.

Насыпные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляются с использованием транспортных средств или взрыва.

Намывные грунты – техногенные грунты, перемещение и укладка которых осуществляется с помощью средств гидромеханизации.

Бытовые отходы – твердые отходы, образованные в результате бытовой деятельности человека.

Промышленные отходы – твердые отходы производства, полученные в результате химических и термических преобразований материалов природного происхождения.

Шлаки – продукты химических и термических преобразований горных пород, образующиеся при сжигании.

Шламы – высокодисперсные материалы, образующиеся в горнообогатительном, химическом и некоторых других видах производства.

Золы –продукт сжигания твердого топлива.

Золошлаки – продукты комплексного термического преобразования горных пород и сжигания твердого топлива.

 

Классификация грунтов

Класс природных скальных и полускальных грунтов – грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными) подразделяют на группы, подгруппы, виды и разновидности согласно таблице 1.3.

 

Таблица 1.3

Класс природных скальных грунтов

 

Группа	Подгруппа	Вид
Скальные	Магматические	Граниты, базальты
	Метаморфические	Гнейсы, сланцы, скарны
	Осадочные	Песчаники, известняки, доломиты
Полускальные	Осадочные	Алевролиты, песчаники, опоки, трепела, диатомиты, мела, мергели, известняки

 

По пределу прочности на одноосное сжатие  в водонасыщенном состоянии грунты подразделяют согласно таблице 1.4.

 

Таблица 1.4

Классификация грунтов по пределу прочности на одноосное сжатие

 

Разновидность грунтов	Предел прочности на одноосное сжатие , МПа
Очень прочный	> 120
Прочный	120 – 50
Средней прочности	50 – 15
Малопрочный	15 – 5
Пониженной прочности	5 – 3
Низкой прочности	3 – 1
Очень низкой прочности	< 1

Класс природных дисперсных грунтов – грунты с водно-коллоидными и механическими структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности согласно таблице 1.5.

 

Таблица 1.5

Класс природных дисперсных грунтов

 

Группа	Подгруппа	Тип	Вид
Связные	Осадочные	Минеральные	Глинистые грунты
		Органоминеральные	Илы, заторфованные грунты
		Органические	Торфы и др.
Несвязные		Минеральные	Пески, крупнообломочные грунты

 

По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно таблице 1.6.

 

Таблица 1.6

Разновидность грунтов по гранулометрическому составу

 

Разновидность грунтов	Размер зерен, частиц d, мм	Содержание зерен, частиц, % по массе
Крупнообломочные:
· валунный (при преобладании неокатанных частиц – глыбовый);	> 200	> 50
· галечниковый (при неокатанных гранях – щебенистый);	> 10	> 50
· гравийный (при неокатанных гранях – дресвяный)	> 2	> 50
Пески:
· гравелистый	> 2	> 25
· крупный	> 0,50	> 50
· средней крупности	> 0,25	> 50
· мелкий	> 0,10	75
· пылеватый	> 0,10	< 75

Примечание. При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм.

По числу пластичности  глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.4 (раздел 2).

По показателю текучести  глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.5 (раздел 2).

По относительной деформации просадочности  глинистые грунты подразделяют согласно таблице 2.6 (раздел 2).

Класс природных мерзлых грунтов – грунты с криогенными структурными связями подразделяют на типы: ледяные минеральные, ледяные органно-минеральные, ледяные органические.

Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов – грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека, подразделяют на подгруппы: измененные физическим воздействием, измененные физико-химическим воздействием, насыпные, намывные.