Общие свойства и строительная классификация грунтов

В строительной практике грунтами называют различные горные породы, используемые в качестве оснований для сооружений или как строительные материалы. И в том и в другом случае необходимо знать физико-механические свойства грунтов и их изменение при приложении к ним внешних нагрузок и тем самым правильно оценить работу сооружения. Как дисперсные системы грунты имеют ряд характерных особенностей, наиболее заметных при насыщении их водой.

Все грунты, применяющиеся в строительстве, делятся на две группы: скальные и нескальные.

К скальным грунтам относят массивно-кристаллические или сцементированные горные породы с жесткой, связью между зернами. По происхождению скальные грунты бывают изверженные и осадочные. Наличие жестких связей в скальных грунтах придает им монолитность, особенно положительное, качество для оснований, так как сооружения, возведенные на таких грунтах, не дают осадки. К нескальным грунтам относят несцементированные скопления минеральных частиц, образовавшихся в результате физического и химического выветривания. Поскольку земляные плотины возводят из нескальных грунтов, а наряду с этим они в большинстве случаев являются и основанием, особенно необходимо знать их физико-механические свойства.

Нескальные грунты представляют собой агрегатную систему, состоящую из трех основных частей, которые принято называть фазами. Этими фазами являются: минеральная часть, образующая грунтовый скелет (твердая фаза), вода, частично или полностью заполняющая поры грунта (жидкая фаза), и воздух, заполняющий поры грунтового скелета (газообразная фаза).

Свойство грунта определяется количественным соотношением отдельных фаз и особенностью взаимодействия их с другими фазами. Если грунт в своем составе имеет все три фазы, то его называют трехфазным. Если же все поры грунтового скелета заняты водой, то такой грунт называют двухфазным. При отсутствии воды в порах твердой фазы грунт следовало бы считать двухфазным, но обычно его считают однофазным, учитывая, что газообразная фаза мало влияет на механические свойства грунта. Последний термин и будет принят в дальнейшем изложении. Однако в естественных условиях такой грунт не встречается, так как вследствие гигроскопичности твердой фазы, в нем всегда будет содержаться некоторое количество воды, поглощенное из паров воздуха.

Поведение грунтов под нагрузкой, в особенности в присутствии воды, будет ли это насыпь земляной плотины или ее основание, зависят от ряда физико-механических характеристик, которые можно разделить на основные и производные. Основные характеристики, к числу которых относятся удельный вес, объемный вес и весовая влажность, определяют в лабораторных или полевых условиях на образцах исследуемого грунта, а производные вычисляют по соответствующим формулам с использованием основных характеристик.
Строительная классификация нескальных грунтов. Основанием такой классификации служат два признака: содержание частиц различной крупности и консистенция. В соответствии с этим все грунты можно разделить на два вида. К первому относятся крупнообломочные и песчаные грунты, а ко второму - глинистые. Грунты первого вида почти не обладают сцеплением, в то время как в грунтах второго вида оно является преобладающим. Различно и влияние воды на поведение грунтов. Свойства песчаных грунтов не изменяется при переходе от однофазной к многофазной системе; на глинистые же грунты этот переход существенно влияет, и они из твердого состояния переходят в пластичное, в результате чего изменяются количественные значения физико-механических характеристик.
К крупнообломочным грунтам относят скопления несцементированных и не имеющих между собой сцепления частиц, при содержании более 50% по весу обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм. К песчаным грунтам относят сыпучие в сухом состоянии минеральные частицы, содержащие менее 50% по весу частиц крупнее 2 мм, причем предполагается, что число пластичности для этих грунтов .

Крупнообломочные и песчаные грунты в зависимости от зернового состава делятся на виды, характеристика которых приведена в таблице 3.
Учитывая, что крупнообломочные и песчаные грунты имеют различный зерновой состав, принято характеризовать их коэффициентом неоднородности , представляющим собой отношение

(1)

где:     - диаметр частиц грунта, меньше которого в данном грунте содержится по весу 60% частиц;
- диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится по весу 10% частиц. Если , грунт приближается к теоретически однородному, когда все частицы имеют один и тот же диаметр. В условиях строительного производства принято считать песчаные грунты однородными, когда , а в остальных случаях степень неоднородности определяется по формуле (1).

 

Таблица  3   Виды крупнообломочных и песчаных грунтов


Примечание. Для установления наименования грунта по таблице последовательно суммируются проценты содержания частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 10 мм, затем крупнее 2 мм, далее крупнее 0,5 мм и т.д. Наименование грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в таблице.

Наряду с делением крупнообломочных и песчаных грунтов по видам (табл. 3) в строительной практике существует деление и по гранулометрическому составу, как это приведено ниже (табл. 10).

К глинистым относят грунты, размер частиц которых меньше 0,005 мм. Столь малые размеры и пластинчатая форма частиц предопределяют и свойство грунтов. При высокой влажности, когда наряду со связной водой в порах скелета имеется и свободная вода, поведение глинистых грунтов сходно с поведением вязких жидкостей. По мере уменьшения влажности глинистый грунт переходит в пластичное состояние, а затем и в твердое. Этот процесс обратим.

Примеси к чистым глинам более крупных частиц изменяют свойство грунта и по мере увеличения их содержания приближают к свойствам песчаных грунтов. В этом случае и название грунта меняется: глины, суглинок, а затем супесь.

Оценку глинистых грунтов производят по числу пластичности, представляющему разность весовых влажностей, выраженных в процентах, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести и на границе раскатывания. Таким образом, число пластичности выражается формулой:

-  предел текучести - такое состояние грунта, когда он находится на границе перехода из пластичного в текучее состояние;
- предел раскатывания, или предел пластичности, - такое состояние грунта, когда он находится на границе перехода из твердого в пластичное состояние. Глинистые грунты в зависимости от числа пластичности подразделяются на виды (табл. 4).

Таблица  4      Виды глинистых грунтов


Отсутствие нормативных характеристик глин по числу пластичности заставляет на практике оценивать их как тощие, жирные и др. М. Н. Гольдштейн предложил простую и вместе с тем доступную классификацию глин по числу пластичности при следующих показателях:

Такая классификация несомненно заслуживает внимания, так как она исходит из потребностей строительного производства.
Принятая оценка глинистых грунтов по консистенции основана на вычислении вспомогательной величины В - показателе консистенции, определяемой по формуле :

где W - влажность исследуемого грунта.

В соответствии с показателем по консистенции глинистые грунты (непросадочные) имеют следующее наименование и численные значения В (табл. 5).

Таблица   5
Подразделение глинистых грунтов по консистенци