Основы грунтоведения. Строительная классификация грунтов

По строительным свойствам выделяются следующие группы пород:

скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные, глинистые и особые.

К скальным и полускальным относятся породы с прочными кристаллизационными или цементационными связями отдельных частиц. Практически это все МГП, ММГП, ОГП обломочные цементированные, аргиллиты, алевролиты, химические и биохимические ОГП. Формальным критерием для выделения полускальных является меньшая прочность (расчетное сопротивление сжатию R < 5 МПа).

Три следующих группы представляют собой дисперсные (раздробленные) породы, состоящие из твердых частиц и пор, заполненных жидкостью (обычно вода) и газом (обычно воздух). Таким образом, дисперсные грунты представляют собой многокомпонентные системы (обычно трехфазные) и их строительные свойства определяются как свойствами отдельных составных частей (компонент или фаз), так и их соотношением.

В последнюю группу особых объединены породы, обладающие тем или иным особым, характерным только для них свойством. Это, например, торф, лесс, мерзлые грунты.

Для характеристики твердой фазы, или скелета грунта устанавливаются минеральный и гранулометрический составы грунта. Имеет значение также содержание органического вещества, повышающего дисперсность грунта и снижающего его плотность и водопроницаемость.

Вода в порах грунта разнообразна по свойствам и значению. Она подразделяется на свободную и связанную. Свободная может быть в газообразном состоянии (водяной пар) и жидком – гравитационная и капиллярная. Связанная вода подразделяется на химически и физически связанную. Гравитационная вода заполняет открытые поры и трещины в грунтах, перемещаясь под действием силы тяжести.

Опасность увлажнения капиллярной водой учитывается при проектировании дорог, фундаментов зданий и сооружений. Капиллярная вода влияет на прочность грунтов. Имеют значение такие водные свойства грунтов, как влагоемкость – способность грунта вмещать воду и водоотдача – способность отдавать воду.

Газы в грунтах могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состояниях. Свободный газ (обычно воздух) зоны аэрации связан с атмосферой и не оказывает существенного влияния на работу грунта. Газы в двух последних состояниях могут вызвать многолетние осадки насыпей из глинистых грунтов, появление в них трещин и полостей. Закупоривание пор газом уменьшает проницаемость грунта.

Для дисперсных грунтов в понятие «структура» включается представление о связях между отдельными частицами. Если такие связи отсутствуют или имеют временный характер, грунты называются несвязными и прочность их всецело обусловлена трением. Прочность и сжимаемость связных, глинистых грунтов зависит не только от трения, но, прежде всего, от характера структурных связей.

Установлено, что глинистые грунты обладают структурными связями двух типов: водно-коллоидные (ВКС); цементационные (ЦС).

ВКС возникают еще в процессе накопления и уплотнения осадка; это «наследие» коллоидной формы его существования. Они зависят от толщины оболочек связанной воды, характера ионов, внешних условий. В зависимости от этих факторов ВКС могут ослабевать или восстанавливаться.

ЦС возникают как вторичные на некоторой стадии диагенеза вследствие цементирующего действия различных веществ (например, солей) на поверхности частиц. Это хрупкие, невосстанавливающиеся связи.

Преобладание связей того или иного типа сразу сказывается на свойствах грунта. Оно проявляется также при сопоставлении прочности образцов грунта природного и нарушенного сложения. Отношение прочности в природном и нарушенном состояниях называется коэффициентом чувствительности или структурной прочности. Обычно он равен 2…4, но для некоторых особо чувствительных грунтов возрастает до нескольких десятков.

Нагружать сваи можно лишь спустя некоторое время после забивки – после «отдыха» грунта. Тиксотропия проявляется и в природных условиях.

Преобладание ЦС уменьшает деформации уплотнения, набухания и усадки.

Рассмотренные характеристики состава и состояния грунтов, их структура определяют сжимаемость и прочность грунтов. Сжимаемость грунтов характеризуется модулем деформации и коэффициентом бокового расширения. Прочностные показатели – сопротивление грунта сдвигу, коэффициент внутреннего трения и сцепление.

12. Подземные воды Все воды, находящиеся в толще горных пород в твердом, жидком или газообразном состоянии, называются подземными. ПВ имеют большое значение. Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения ПВ, их состава и состояния. От ПВ зависят физико-механические свойства и состояние многих горных пород. Они широко используются для водоснабжения, в различных областях промышленности, энергетики, медицины и др. Охрана ПВ от истощения и загрязнения – важнейшая задача экологии.

К основным физическим свойствам относятся температура, цвет, прозрачность, мутность, вкус и запах.

Показателями химического состава являются:

1. Водородный показатель pH; при pH = 7 вода нейтральная, при pH < 7 кислая и при pH >7 щелочная.

2. Общая минерализация воды, оцениваемая по сухому остатку после выпаривания. Выделяют воды пресные, солоноватые, соленые и рассолы.

3. Содержание катионов и анионов. По катионному составу различают воды кальциевые, магниевые и натриевые; по анионному – гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные.

Анализ химического состава позволяет установить вид и степень агрессивности ПВ по отношению к строительным конструкциям, а также жесткость воды.

В изменении химического состава ПВ установлена зональность по распространению в плане и по глубине: с севера на юг и сверху вниз состав меняется от пресных гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатным и наконец, хлоридным. Исключением являются азональные воды – болотные, речных долин, карстовые.

По условиям залегания выделяют следующие основные виды ПВ: верховодка, грунтовые, межпластовые.

1.Верховодкой называются временные скопления ПВ в зоне аэрации, приуроченные к линзам и прослойкам малопроницаемых пород в общей водопроницаемой толще. Питание за счет атмосферных осадков. Верховодка может вызвать неожиданное затопление котлованов, подвалов зданий, хотя в период изысканий она могла и отсутствовать.

2.Грунтовые воды – постоянный и значительный по площади горизонт ПВ, залегающий на первом от поверхности грунта водоупоре. Характеризуются следующими свойствами:

- питание за счет атмосферных осадков, иногда также за счет поверхностных вод;

- области питания и распространения совпадают;

- воды ненапорные;

- связь с поверхностными водами;

- легкая загрязняемость.

Для грунтовых вод характерна изменчивость их режима – положения зеркала или уровня (УГВ), направления и скорости движения, химического состава, температуры и других физических свойств. УГВ может меняться в зависимости от многих природных и техногенных факторов: метеорологических, гидрологических, тектонических, техногенных.

Деятельность человека может приводить как к повышению УГВ (создание водохранилищ, утечки из инженерных сетей и др.), так и к понижению – при осушении болот, длительных откачках и т.д.

Процесс поднятия УГВ называется подтоплением. Грунтовые воды широко используются для водоснабжения.

3.Межпластовые подземные воды – это более глубокие водоносные горизонты между водоупорами. В редких случаях они бывают ненапорными, но обычно обладают напором. Напорные межпластовые воды называются артезианскими.

В отличие от грунтовых, у артезианских вод область распространения не совпадает с областью питания, а область разгрузки может отсутствовать. Режим артезианских вод более постоянный, с поверхности воды не загрязняются.