Склад дисперсних грунтів - студопедія

Фізичні показники, їх використання в класифікаціях ґрунтів

Будівельна класифікація ґрунтів

Лекція 4. Основи грунтознавства

Викладене в л.№2 показує, що породи, за умовами освіти відносяться до різних груп, можуть мати міцність одного порядку: наприклад, граніт (МГП), мармур (ММГП), піщаник з кременистим цементом (ОГП). З іншого боку, в групі ОГП стисливість торфу на 3 - 4 порядки вище, ніж твердої глини або аргіліту.

Тому за будівельними властивостями виділяються наступні групи порід: скельні, напівскельні, великоуламкові, піщані, глинисті і особливі.

До скельним і напівскельних відносяться породи з міцними кристалізаційними або цементаційна зв'язками окремих частинок. Практично це все МГП, ММГП, ОГП уламкові цементовані, аргіліти, алевроліти, хімічні та біохімічні ОГП. Формальним критерієм для виділення напівскельних є менша міцність (розрахунковий опір стиску R <5 МПа).

Три наступних групи представляють собою дисперсні (роздроблені) породи, що складаються з твердих частинок і пор, заповнених рідиною (зазвичай вода) і газом (зазвичай повітря, іноді метан, сірководень і ін.) У деяких випадках присутні мікроорганізми, бактерії (біота). Таким чином, дисперсні грунти являють собою багатокомпонентні системи (зазвичай трифазні) і їх будівельні властивості визначаються як властивостями окремих складових частин (компонент або фаз), так і їх співвідношенням. Детально вони вивчаються в грунтознавства.

В останню групу особливих об'єднані породи, що володіють тим чи іншим особливим, характерним тільки для них властивістю. Це, наприклад, торф, лес, мерзлі грунти.

Співвідношення складових частин грунту можна охарактеризувати трьома основними фізичними показниками:

густина # 961; - відношення маси зразка до його об'єму (зазвичай # 961; = 1,5 ... 2,2 т / м 3); щільність частинок грунту # 961; s - відношення маси частинок до їх обсягу (зазвичай # 961; s = 2,5 ... 2,7 т / м 3); вологість # 969; - відношення маси води в пробі до маси частинок. Зазвичай вологість значно менше одиниці, але для торфу можливо і # 969;> 1, причому набагато більше.

На практиці часто використовуються показники, які можна розрахувати за основними, наприклад:

- щільність сухого ґрунту rd - відношення маси частинок до обсягу (проби) грунту;

- пористість n - відношення об'єму пор до всього обсягу; пористість можна розрахувати по введеним показниками: n = 1 - rd / rs;

- коефіцієнт пористості е - відношення об'єму пор до об'єму частинок, причому n і е взаємопов'язані: е = n / (1 n);

- ступінь вологості Sr - відношення об'єму води до об'єму пор; якщо пори грунту повністю заповнені водою, то Sr = 1 і така вологість являє собою повну вологоємність, або водопоглинання ґрунту.

Значення пористості або коефіцієнта пористості дозволяють характеризувати стан грунту по щільності - щільне, середньої щільності або пухке. За значенням Sr грунти поділяються на маловологі (Sr <0,5), водонасыщенные (Sr> 0,8) і вологі при значенні в зазначеному інтервалі.

Для глинистих ґрунтів, крім наведених, важливими показниками є вологості, відповідні верхньої і нижньої меж пластичності, що одержали назви верхнього і нижнього меж пластичного стану ґрунту, або, відповідно, його меж розкочування # 969; p і плинності # 969; L. Їх різниця називається числом пластичності; це інтервал вологості, в якому глиниста порода знаходиться в пластичному стані.

Консистенція, тобто стан глинистого грунту по відношенню до меж пластичності, оцінюється показником плинності IL = (# 969; - # 969; p) / (# 969; L - # 969; p). Очевидно, при IL <0 консистенция твердая, при IL> 1 - текуча, а в інтервалі від 0 до 1, тобто при пластичної консистенції для суглинків і глин виділяють ще стану полутвердое, тугопластічних, м'якопластичного і текучепластічной (з кроком IL. рівним 0,25).

Вода в порах грунту різноманітна за властивостями і значенням. Вона поділяється на вільну і пов'язану. Вільна може бути в газоподібному стані (водяна пара) і рідкому - гравітаційна і капілярна. Пов'язана вода поділяється на хімічно та фізично пов'язану.

Гравітаційна вода заповнює відкриті пори і тріщини в грунтах, переміщаючись під дією сили тяжіння. Для більшості грунтів закон цього руху, або фільтрації води, має вигляд:

де V - швидкість фільтрації (фіктивна), м добу;

Q - витрата води в одиницю часу, м 3 / с;

А - площа поперечного перерізу;

I = (H - h) / L - гідравлічний градієнт, тобто різницю напорів на одиницю шляху фільтрації (рис.4.1);

k - коефіцієнт фільтрації, тобто швидкість фільтрації при одиничному градієнті.

Коефіцієнт фільтрації характеризує водопроникність грунту і змінюється в широких межах. Визначається експериментально в польових і лабораторних умовах. Зразкові значення складають (м / добу): суглинки менше 0,05; супеси 0,05 ... 0,5; піски від пилуватого до великого 0,5 ... 50; гравій, галечник 50 ... 500. Глини з коефіцієнтом фільтрації менше 0,001 можна вважати практично водонепроникними.

Мал. 4.1. Схема до пояснення закону фільтрації

Капілярна вода переміщається в порах під дією сил поверхневого натягу і виникає внаслідок цього підйомної сили менісків води в порах-капілярах. Тому в грунті вище рівня підземних вод, тобто в зоні аерації, пори частково заповнені капілярної водою. Висота підняття залежить від розмірів пор, складаючи в пісках до 1м, супесях 1 ... 2м, суглинках і глинах до 3 ... 4 м.

Небезпека зволоження капілярної водою враховується при проектуванні доріг, фундаментів будівель і споруд. Тривале випаровування капілярної води з поверхні може призводити до засолення грунтів. Капілярна вода впливає на міцність грунтів, повідомляючи їм деяку зв'язність, що особливо помітно для зволоженого піску. Але при висиханні, або, навпаки, повному водонасиченні зв'язність за рахунок капілярних сил зникає. Характер взаємодії скелета грунту і води позначається на водопрочности грунту: розчинності, размягчаемості, розмоканні, размиваємость. Мають значення такі водні властивості грунтів, як вологоємність - здатність грунту вміщати воду і Водовіддача - здатність віддавати воду. Остання більше у піщаних порід, ніж у глинистих, хоча по вологоємності співвідношення може бути зворотним.

Фізично зв'язана вода в пісках майже відсутня, але для глинистих ґрунтів має велике значення. Вода адсорбувати поверхнею глинистих і колоїдних частинок і пов'язана поверхневими силами іонно-електростатичної і електромолекулярной природи. Безпосередньо біля поверхні частинки утримується шар прочносвязанной води з аномальними властивостями - підвищеною щільністю і в'язкістю, дуже низькою температурою замерзання. Далі розташовується Рихлосвязанная вода, близька за властивостями до звичайної, але не переміщається під дією сили тяжіння і замерзающая при температурі - (3 ... 4) о С. прочносвязанная вода називається ще гигроскопической, а Рихлосвязанная - плівкової.

До переміщення в ґрунті здатна тільки плівкова вода. Можлива її міграція в напрямку зниження температури (наприклад, до фронту промерзання, що підсилює обдимання ґрунту) і зменшення товщини водних оболонок.

В оболонці зв'язаної води, яку називають також дифузним шаром, містяться іони зі складу мінералу частки і порового розчину. Це катіони H +, Na +, K +, Ca 2+. Mg 2+. Fe 2+, Fe 3+. Al 3+ і аніони Cl -, SO4 2-. CO3 2-. HCO3 - і ін. При зміні складу порового розчину може відбуватися заміщення одних іонів іншими. Тому іони дифузного шару називаються обмінними, а максимальне їх кількість, здатне до обміну в даних умовах, називається ємністю обміну. З ростом дисперсності, збільшенням вмісту глинистих мінералів і органіки ємність обміну збільшується.

Гази в грунтах можуть перебувати у вільному, адсорбованому і защемлення станах. Вільний газ (зазвичай повітря) зони аерації пов'язаний з атмосферою і не робить істотного впливу на роботу грунту. Гази в двох останніх станах можуть викликати багаторічні опади насипів з глинистих ґрунтів, поява в них тріщин і порожнин. Закупорювання пір газом зменшує проникність грунту. Розчинений в поровой воді газ збільшує стисливість ґрунту.

Під час вилучення відібраних на великій глибині зразків грунту відбувається розширення защемленного в порах газу і виділення його з води при знятті тиску, що може викликати разуплотнение грунту. При розробці глибоких котлованів це одна з причин часто відзначається підйому їх дна.